Investigation into measurements using gravimeters Scintrex CG-5/Matavimu Scintrex CG-5 gravimetrais analize.

Petroskevicius, Petras ; Birvydiene, Rosita ; Obuchovski, Romuald 等

1. Ivadas

Gravimetriniu matavimu duomenys teikia vertingos informacijos apie Zemes sunkio lauka. Si informacija svarbi atliekant nuodugnius geoido ir kvazigeoido tyrimus (Krynski, Lyszkowicz 2007; Parseliunas et al. 2010a). Siuos pavirsius nustatant tiksliau yra prielaidos didinti Zemes pavirsiaus tasku auksciu nustatymo tiksluma (Makinen et al. 2006; Petroskevicius et al. 2008). Gravimetriniai duomenys svarbus sprendziant ne tik geodezinius, bet ir geofizinius, geodinaminius bei navigacijos uzdavinius (Zakarevicius et al. 2008).

Nauju galimybiu, atliekant gravimetrinius matavimus, teikia automatiniai kvarciniai gravimetrai (Birvydiene et al. 2009; Parseliunas et al. 2008, 2010b), todel svarbu siuos gravimetrus tirti toliau. Darbo tikslas--pateikti matavimu duomenu, gautu, atliekant tyrimus gravimetrais Scintrex CG-5, analize.

2. Gravimetrines bazes matavimu analize

Siekiant ivertinti automatiniu gravimetru veikima 2007-2011 m., keturiais gravimetrais Scintrex CG-5 atlikti matavimai gravimetrineje bazeje EISISKES, VILNIUS, PANEVEZYS, SALOCIAI (1 pav.).

Bazes ilgis 270 km, sunkio prieaugis tarp krastiniu bazes punktu 201 mGal. Bazes punktai VILNIUS ir PANEVEZYS, esantys pastatu apatiniuose aukstuose, priklauso nulines klases gravimetriniam tinklui, kurio punktuose 1994 ir 2002 m. atlikti absoliutieji sunkio pagreicio matavimai balistiniu gravimetru JILAg-5 (Makinen, Petroskevicius 2003). Pagreitis siuose punktuose zinomas 5 [micro]Gal tikslumu. Kiti du punktai--EISISKES ir SALOCIAI irengti lauke. Jie priklauso pirmosios klases gravimetriniam tinklui, kurio matavimai atlikti 1998-2001 m. gravimetrais LaCoste and Romberg (Parseliunas, Petroskevicius 2007). Sunkio pagreicio siuose punktuose paklaida nevirsija 10 [micro]Gal. Bazes punktai issideste dienovidinio kryptimi ir irengti prie gero kelio, todel patogus gravimetriniams baziniams matavimams atlikti.

Per ketverius metus keturiais gravimetrais Scintrex CG-5 atlikta 12 gravimetrines bazes matavimu. 2007-2009 m.--po du bazinius matavimus (Birvydiene et al. 2009; Parseliunas et al. 2010b)--pries ir po matavimu, atliekamu sudarant Lietuvos antrosios klases gravimetrini tinkla. Matavimai punktuose vyko sia seka: VILNIUS, PANEVEZYS, SALOCIAI, PANEVEZYS, VILNIUS, EISISKES, VILNIUS. Kiekviename punkte buvo atliekama po 20 ciklu 55 s trukmes matavimu. Vieno matavimu reiso trukme 12 valandu.

Matavimu rezultatai apdoroti taikant GRAVSOFT programu paketo proceduras. Nustatyti kiekvieno reiso gravimetru kalibravimo koeficientai. Koeficientu vidutine kvadratine paklaida nevirsija 0,000 059.

Keturiu gravimetru vidutines kalibravimo koeficientu reiksmes pateiktos 1 lenteleje (2007-12-04 ir 2011-09-16 atlikta po viena bazini matavimu). Gravimetru kalibravimo koeficientu kitimo pobudis akivazdus is 2 paveikslo.

Is 1 lenteleje pateiktu rezultatu matyti, kad G2 ir G4 gravimetru kalibravimo koeficientu reiksmes didesnes uz vieneta, o G3 ir G5 gravimetru--mazesnes. Didziausias nuokrypis nuo vieneto G2 gravimetro (0,013).

[FIGURE 1 OMITTED]

[FIGURE 2 OMITTED]

Per tiriamaji laikotarpi gravimetru kalibravimo koeficientu reiksmes turi tendencija mazeti. Didziausias treciojo gravimetro kalibravimo koeficientu koeficientu kitimo diapazonas--0,000 632. Gravimetru kalibravimo koeficientu kitimas panasaus pobudzio (koreliacijos tarp G2 ir G3 koeficientas yra 0,8826, tarp G2 ir G4--0,8819, tarp G2 ir G5--0,9413).

3. Sunkio pagreicio vertikaliojo gradiento tyrimas

Vilniaus Gedimino technikos universiteto pastate, kurio rusyje esancioje Gravimetrijos laboratorijoje irengtas absoliuciuju sunkio matavimu punktas VILNIUS, 2011 m. vasario 18 d. atlikti vertikaliojo sunkio pagreicio gradiento kitimo tyrimai. Gravimetrais Scintrex CG-5 matuota kiekviename pastato aukste pagal 3 paveiksle parodyta schema.

[FIGURE 3 OMITTED]

Matavimai pradeti ir baigti punkte VILNIUS. Kiekviename punkte atlikta po 10 ciklu 55 s trukmes matavimu. Apdorojant matavimu duomenis, GRAVSOFT programu paketo proceduroms naudotos gravimetru kalibravimo koeficientu reiksmes, interpoliuotos matavimu momentui. 2 lenteleje pateiktos sunkio pagreicio reiksmes, kiekvienu gravimetru nustatytos punktuose, esanciuose skirtinguose pastato aukstuose.

Sunkio pagreicio vidutine kvadratine paklaida punktuose nevirsija 5 [micro]Gal, vieno matavimo paklaida--7 [micro]Gal. Vertinant tiksluma pagal dvigubuju matavimu skirtumus vieno matavimo vidutine matavimo paklaida nevirsija 9 [micro]Gal.

Paskutiniame 2 lenteles stulpelyje pateiktos sunkio pagreicio reiksmes atlikus bendraji visu matavimu rezultatu apdorojima. Sunkio pagreicio punktuose paklaida, atlikus bendraji matavimu rezultatu islyginima, 1 [micro]Gal, vieno matavimo paklaida 6 [micro]Gal.

Sunkio pagreicio vertikaliojo gradiento skaiciavimo rezultatai pateikti 3 lenteleje.

Sunkio pagreicio vertikaliojo gradiento kaita tarp pastato aukstu pavaizduota 4 paveiksle. Analizuojant tyrimu rezultatus matyti, kad sunkio pagreicio vertikalusis gradientas kinta nuo -0,277 iki -0,302 mGal/m. Siekiant palyginti, galima pazymeti, kad normaliojo sunkio lauko vertikalusis gradientas yra -0,3085 mGal/m. Skaiciavimai rodo, kad nustatant sunkio pagreiti punkte, esanciame astuntajame pastato aukste, pagal punkto VILNIUS sunkio pagreiti ir minetaji vertikaluji gradienta, gaunama klaida, lygi 306 [micro]Gal. Pagreiciui redukuoti taikant vertikaluji gradienta, lygu -0,2880 mGal/m, nustatyta paciame punkte VILNIUS (Makinen et al. 2003), gaunama klaida, lygi 197 [micro]Gal. Taigi taikant punkte ismatuota vertikaluji gradienta paklaida sumazejo 1,5 karto. Tyrimu duomenys rodo, kad, siekiant atlikti tikslu sunkio pagreicio redukavimu, butini issamus sunkio gradienta tyrimai.

[FIGURE 4 OMITTED]

4. Gravimetru nulio slinkties tyrimai

Nagrinejamu gravimetru tyrimu laikotarpiu atlikti gravimetru laboratoriniai nulio slinkties tyrimai. Remtasi Gravimetriniu matavimu punkte VILNIUS duomenimis. Vidutines gravimetru paros nulio slinktys pateikiamos 4 lenteleje.

Didesne nulio slinktis G2 ir G3 gravimetru. G2 gravimetro nulio slinktis buvo padidejusi net iki 510 [micro]Gal per para. Mazesne nulio slinktis G4 ir G5 gravimetru. Gravimetru paros nulio slinkties kitimas pavaizduotas 5 paveiksle.

[FIGURE 5 OMITTED]

Is grafiku (5 pav.) matyti, kad G2 gravimetro nulio slinkties kitimo diapazonas didziausias (240 [micro]Gal). Gravimetru paros nulio slinkties kitimas panasaus pobudzio (koreliacijos tarp G5 ir G4 koeficientas yra 0,8363, tarp G5 ir G3--0,6400, tarp G5 ir G2--0,7250). Pirmuoju tyrimu laikotarpiu (2007-2009 m.), kai buvo atliekami gravimetrinio antrosios klases tinklo matavimai, gravimetru laboratorine nulio slinktis turejo tendencija mazeti. Per tolesni laikotarpi triju gravimetru nulio slinktis didejo.

Atlikti gravimetru nulio slinkties matavimu metu tyrimai. Remtasi gravimetru kalibravimo matavimu duomenimis. Nulio slinktys skaiciuotos pagal matavimu punktuose VILNIUS ir PANEVEZYS duomenis. Gravimetru valandines nulio slinktys kalibravimu laikotarpiu pateiktos 6 paveiksle.

[FIGURE 6 OMITTED]

G2 ir G3 gravimetru nulio slinktys siekia 23 [micro]Gal/h, o G4 ir G5--nevirsija 10 [micro]Gal/h (isskyrus G5 viena atveji). Valandines nulio slinkties svyravimas matavimu metu daugeliu atveju nevirsija 10 [micro]Gal.

Issamus gravimetro nulio slinkties tyrimai atlikti naudojant matavimu sunkio vertikaliajam gradientui nustatyti duomenis. Nulio slinkties matavimu metu kitimas parodytas 7 paveiksle.

[FIGURE 7 OMITTED]

Analizuojant grafikus matyti, kad valandines nulio slinkties svyravimas matavimu metu daugeliu atveju nevirsija 30 [micro]Gal. Analizuojant valandine slinkti gradiento matavimo metu, nustatyta, kad G2, G3, G4 ir G5 gravimetru slinkciu medianos yra atitinkamai 23,0, 25,2, 9,7, 0,9. Tai patvirtina, kad G2 ir G3 gravimetru valandines slinktys yra didesnes nei G4 ir G5 gravimetru. Taigi, matuojant pastate, gravimetru nulio slinkties svyravimas padideja iki 3 kartu.

Matavimu salygoms kalibravimo ir gradiento matavimu metu palyginti pateiktos G2 gravimetro atskaitu paklaidos (8 ir 9 pav.).

[FIGURE 8 OMITTED]

[FIGURE 9 OMITTED]

Analizuojant paklaidu grafikus matyti, kad maziausios paklaidos nustatytos absoliuciuju matavimu punktuose, kurie itvirtinti betoniniais stulpais. Blogiausios matavimu salygos pastate. Vidutine matavimu gravimetrines bazes punktuose paklaida 34 [micro]Gal, matavimu pastate--122 [micro]Gal.

5. Isvados

Remiantis gravimetrines bazes matavimu rezultatais nustatyti gravimetru Scintrex CG-5 kalibravimo koeficientai, kuriu koeficientu vidutine kvadratine paklaida nevirsija 0,000 059. Didziausias kalibravimo koeficiento nuokrypis nuo vieneto 0,013. Nustatyta, kad per ketveriu metu laikotarpi gravimetru kalibravimo koeficientu reiksmes turejo tendencija mazeti. Didziausias kalibravimo koeficiento kitimo diapazonas 0,000 632.

Atlikti sunkio pagreicio vertikaliojo gradiento astuoniu aukstu pastate tyrimai. Gauta, kad sunkio pagreicio vertikalusis gradientas svyruoja nuo -0,277 iki -0,302 mGal/m. Taigi, norint atlikti tikslu sunkio pagreicio redukavima, butini nuodugnus sunkio gradienta tyrimai.

Nustatyta, kad per ketveriu metu laikotarpi Laboratorinemis salygomis tiriamu gravimetru paros nulio slinkties diapazonas buvo nuo -4,0 iki 510,7 [micro]Gal. Didziausias gravimetro paros nulio slinkties per nagrinejama laikotarpi pokytis 240,3 [micro]Gal. Gravimetru nulio slinkties kitimas yra panasaus pobudzio.

Atliekant matavimus kalibravimo bazeje, gravimetru valandines nulio slinkties svyravimas daugeliu atveju nevirsija 10 [micro]Gal, o matavimu pastate metu--30 [micro]Gal.

doi: /10.3846/13921541.2011.645338

Literatura

Birvydiene, R.; Obuchovski, R.; Parseliunas, E.; Petroskevicius, P.; Slikas, D.; Viskontas, P. 2009. Lietuvos gravimetrinio tinklo charakteristikos, Geodezija ir kartografija [Geodesy and Cartography] 35(4): 131-136. doi:10.3846/1392-1541.2009.35.131-136

Krynski, J.; Lyszkowicz, A. 2007. Centimetre quasigeoid modelling in Poland using heterogeneous data, Harita Dergisi 18: 37-42. ISSN 1300-5790.

Makinen, J.; Lilje, M.; Agren, J., et al. 2006. Regional Adjustment of Precise Levellings around the Baltic, Mitteilungen des Bundesamtes fur Kartographie und Geodasie. Band 38, EUREF Publication 15: 171-183. ISSN-1436-3445.

Makinen, J.; Petroskevicius, P. 2003. Lietuvoje atliktu absoliutiniu sunkio matavimu analize, Geodezija ir kartografija [Geodesy and Cartography] 29(4): 99-105. ISSN 1392-1541.

Parseliunas, E.; Marozas, L.; Petroskevicius, P.; Zakarevicius, A.; Stankunas, J.; Aksamitauskas, V. C. 2010a. Formalization of the observations of the sea level variations using XML data schemas and scalable vector graphics format, Journal of Vibroengineering 12: 659-665. ISSN 1392-8716.

Parseliunas, E.; Petroskevicius, P. 2007. Quality of Lithuanian national gravimetric network, Harita Dergisi 18: 388-392. ISSN 1300-5790.

Parseliunas, E.; Obuchovski, R.; Birvydiene, R.; Petroskevicius, P.; Zakarevicius, A.; Aksamitauskas, V. C.; Rybokas, M. 2010b. Some issues of the national gravimetric network development in Lithuania, Journal of Vibroengineering 12: 685-690. ISSN 1392-8716.

Parseliunas, E.; Petroskevicius, P.; Obuchovski, R. 2008. Analysis of gravimetric observations made by Scintrex CG-5, in The 7th International Conference "Environmental Engineering": Selected papers, vol. 3. May 22-23, 2008, Vilnius, Lithuania. Vilnius: Technika, 1422-1428.

Petroskevicius, P.; Popovas, D.; Krikstaponis, B.; Putrimas, R.; Buga, A.; Obuchovski, R. 2008. Estimation of gravity field non-homogeneity and variation for the vertical network observations, in The 7th International Conference "Environmental Engineering": Selected papers, vol. 3. May 22-23, 2008, Vilnius, Lithuania. Vilnius: Technika, 1439-1445.

Zakarevicius, A.; Parseliunas, E.; Sliaupa, S.; Stanionis, A.; Stephenson, R. 2008. Horizontal deformations of the Earth's crust in the Baltic region from GPS data, in The 7th International Conference "Environmental Engineering": Selected papers, vol. 3. Ed. by Cygas, D.; Froehner, K. D. May 22-23, 2008, Vilnius, Lithuania. Vilnius: Technika, 1503-1507.

Petras PETROSKEVICIUS. Prof., Doctor Habil. Vilnius Gediminas Technical University. Dept of Geodesy and Cadastre, Sauletekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lithuania. Ph +370 5 2744 703, Fax +370 5 2744 705, e-mail: petras.petroskevicius@vgtu.lt.

Author of 1 monograph and more than 120 scientific publications. Participated in many intern conferences.

Research interests: determination of Earth satellites orbits, research of Earth gravity field by means of satellite geodesy and gravimetric methods, establishment of geodetic and gravimetric networks.

Rosita BIRVYDIENE. PhD student at the Department of Geodesy and Cadastre. Vilnius Gediminas Technical University. Sauletekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lithuania. Ph +370 5 274 4703, Fax +370 5 274 4705, e-mail: rosita.birvydiene@vgtu.lt.

MSc at VGTU (2008).

Research interests: gravimetry, establishment of gravimetric networks.

Romuald OBUCHOVSKI. Dr at Department of Geodesy and Cadastre, Vilnius Gediminas Technical University. Sauletekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lithuania. Ph +370 5 274 4703, Fax +370 5 274 4705, e-mail: romuald.obuchovski@gmail.com.

Doctor at VGTU (2005).

Research interests: graphs theory in geodesy, adjustment of geodetic networks, geoinformation systems, establishment of geodetic and gravimetric networks.

Eimuntas PARSELIUNAS. Assoc. Prof., Dr at the Department of Geodesy and Cadastre, Vilnius Gediminas Technical University, Sauletekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lithuania. Ph +370 5 274 4703, Fax +370 5 274 4705, e-mail: eimis@vgtu.lt.

Doctor of Science (1992).

The author of two teaching books and more than 50 scientific papers. Participated in a number of international conferences.

Research interests: graphs theory in geodesy, adjustment of geodetic networks, geoinformation systems, establishment of geodetic and gravimetric networks.

Petras Petroskevicius (1), Rosita Birvydiene (2), Romuald Obuchovski (3), Eimuntas Parseliunas (4)

Geodezijos institutas, Vilniaus Gedimino technikos universitetas, Sauletekio al. 11, LT-10223 Vilnius, Lietuva

El. pastas: (1) petras.petroskevicius@vgtu.lt; (2) rosita.birvydiene@vgtu.lt (corresponding author); (3) gi@vgtu.lt; (4) eimis@vgtu.lt

Iteikta 2011 11 15; priimta 2011 11 21

1 lentele. Vidutines kalibravimo koeficientu reiksmes

Table 1. Mean values of the linear scale coefficients

Data G2 G3 G4 G5

2007-09-14-18 1,013 514 0,999 441 1,000 458 0,999 981
2007-12-04 1,013 427 0,999 607 1,000 315 0,999 847
2008-04-24-25 1,013 316 0,999 478 1,000 291 0,999 852
2008-08-27-09-02 1,013 284 0,999 277 1,000 334 0,999 787
2009-04-15-16 1,013 144 0,999 238 1,000 171 0,999 771
2009-07-09-10 1,013 086 0,999 064 1,000 251 0,999 646
2011-09-16 1,013 070 0,998 975 1,000 184 0,999 606

2 lentele. Sunkio pagreitis, mgal

Table 2. The gravity acceleration mGal

Punktas G2 G3 G4 G5

1 981 458,670 981 458,676 981 458,671 981 458,671
2 981 457,687 981 457,696 981 457,691 981 457,689
3 981 456,705 981 456,709 981 456,708 981 456,706
4 981 455,726 981 455,732 981 455,728 981 455,727
5 981 454,736 981 454,742 981 454,739 981 454,736
6 981 453,757 981 453,770 981 453,762 981 453,757
7 981 452,762 981 452,780 981 452,762 981 452,761
8 981 451,812 981 451,833 981 451,810 981 451,809

Punktas G2345

1 981 458,670
2 981 457,689
3 981 456,706
4 981 455,727
5 981 454,738
6 981 453,762
7 981 452,767
8 981 451,817

3 lentele. Sunkio pagreicio vertikalusis
gradientas

Table 3. The vertical gradient of the gravity
acceleration

Punktai Sunkio Auksciu Gradientas,
 pagreicio skirtumas, mGal/m
 skirtumas, m
 mGal

VILNIUS-1 -0,416 1,502 -0,277
1-2 -0,981 3,297 -0,298
2-3 -0,983 3,295 -0,298
3-4 -0,979 3,303 -0,296
4-5 -0,989 3,270 -0,302
5-6 -0,976 3,310 -0,295
6-7 -0,995 3,291 -0,302
7-8 -0,950 3,286 -0,289
8-VILNIUS -7,269 24,554 -0,296

4 lentele. Gravimetru paros nulio slinktys,
[micro]Gal

Table 4. The changes of the daily zero drift
[micro]Gal

Data G2 G3 G4 G5

2007-09-14-18 333,3 439,0 148,3 46,1
2007-12-04 510,7 427,2 178,0 99,0
2008-04-24-25 349,8 298,1 52,0 41,1
2008-08-27-09-02 394,3 364,5 75,8 36,0
2009-04-15-16 400,5 308,6 75,7 61,8
2009-07-09-10 283,3 263,9 -4,0 5,4
2011-09-16 270,4 376,9 90,6 59,2