37 Idejni projekt za kombinirano geodetsko mrežo nič tega reda Sandi Berk 1 , Katja Bajec 2 , Dominik Fajdiga 3 , Dalibor Radovan 4 , Žarko Komadina 5 , Klemen Medved 6 , Tomaž Ambrožič 7 , Božo Koler 8 , Miran Kuhar 9 , Polona Pavlovč ič Prešeren 10 , Simona Savšek 11 , Oskar Sterle 12 in Bojan Stopar 13 Povzetek Predstavljen je idejni projekt kombinirane geodetske mreže Slovenije. Kombinirana geodetska mreža omogoč a združitev treh stebrov geodezije, ki obsegajo geokinematiko, težnost in rotacijo Zemlje. Na državnem nivoju bo pomenila kakovostni temelj sodobne geoinformacijske infrastruk- ture. Namenjena bo povezavi in zavarovanju obstoječ ih državnih geodetskih referenč nih ogrodij, ki se zaradi specifič nih zahtev različ nih geodetskih merskih tehnik delijo na klasič ne terestrič ne, nivelmanske, gravimetrič ne in GNSS-mreže. Te med seboj niso fizič no povezane. Permanentne in ponavljajoč e se meritve na toč kah kombinirane geodetske mreže omogoč ajo modeliranje č asovno odvisnih sprememb, kar je nujno za vzdrževanje kakovosti državnega geodetskega referenč nega sistema na dolgi rok. Takšno omrežje ponuja tudi dodatne možnosti interdisciplinarnih raziskav. Uvod V zadnjih dveh desetletjih se geodetska znanost in stroka sooč ata z dramatič nim izbolj- šanjem kakovosti in operativnosti geometrič ne določ itve položaja, zahvaljujoč predvsem satelitskim tehnologijam. GNSS nadomešč a klasič ne merske tehnologije določ itve polo- žaja v znanstvenih in praktič nih aplikacijah. V nasprotju s tem pa ni bilo podobnega napredka pri nalogah določ itve in modeliranja težnostnega polja Zemlje vse do pojava novih satelitskih misij v zadnjih petih letih. Podatki, pridobljeni iz satelitskih misij, namenjeni raziskovanju težnostnega polja Zemlje, kot so CHAMP, GRACE in GOCE, glej npr. (Rummel, 2011), v kombinaciji s ponovljenimi absolutnimi meritvami težnega pospeška omogoč ajo, da se ta razkorak med horizontalno in višinsko komponento položaja zmanjša. Nivelmanske meritve, ki še vedno omogoč ajo najnatanč nejšo določ itev višin oz. višinskih razlik, skupaj s podatki težnosti zagotavljajo kakovostno višinsko komponento koordinatnega sistema ter dajejo vpogled v njene č asovne spremembe. 1 Sandi Berk, univ. dipl. inž. geod. 2 Katja Bajec, univ. dipl. inž. geod. 3 Dominik Fajdiga, univ. dipl. inž. geod. 4 viš. pred. dr. Dalibor Radovan, univ. dipl. inž. geod. (vsi Geodetski inštitut Slovenije, Jamova cesta 2, 1000 Ljubljana) 5 Žarko Komadina, univ. dipl. inž. geod. 6 mag. Klemen Medved, univ. dipl. inž. geod. (oba Geodetska uprava Republike Slovenije, Zemljemerska ulica 12, 1000 Ljubljana) 7 izr. prof. dr. Tomaž Ambrožič , univ. dipl. inž. geod., univ. dipl. inž. rud. 8 doc. dr. Božo Koler, univ. dipl. inž. geod. 9 doc. dr. Miran Kuhar, univ. dipl. inž. geod. 10 asist. dr. Polona Pavlovč ič Prešeren, univ. dipl. inž. geod. 11 doc. dr. Simona Savšek, univ. dipl. inž. geod. 12 asist. mag. Oskar Sterle, univ.dipl. inž. geod. 13 prof. dr. Bojan Stopar, univ. dipl. inž. geod. (vsi Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Jamova cesta 2, 1000 Ljubljana) 38 Kombinacijo klasič nih geodetskih merskih postopkov (nivelman, gravimetrija) in satelitske tehnologije (GNSS in satelitske misije za spremljanje težnostnega polja Zemlje) je možno doseč i samo prek mreže skupnih toč k, kar imenujemo kombinirana geodetska mreža. Gre za združitev treh stebrov geodezije, ki obsegajo geokinematiko, težnost in rotacijo Zemlje, glej npr. (Plag in sod., 2009). Permanentne in ponavljajoč e se meritve na toč kah kombinirane geodetske mreže omogoč ajo modeliranje č asovno odvisnih sprememb zemeljskega površja, težnostnega polja Zemlje ter njene atmosfere in hidrosfere. Idejni projekt kombinirane geodetske mreže Slovenije, ki je predstavljen v nadaljeva- nju, je bil pripravljen kot CRP-projekt z naslovom Zasnova temeljne več namenske državne geoinformacijske infrastrukture. Snovanje kombinirane geodetske mreže Slovenije se zgleduje po nekaterih že vzpostavljenih državnih in regionalnih kombiniranih geodetskih mrežah, npr. v Švici (Brockmann in sod., 2006) in v Skandinaviji (Poutanen in sod., 2007), s težnjo po vključ itvi v Evropsko kombinirano geodetsko mrežo – ECGN, glej npr. (Ihde in sod., 2005) in (Ihde in sod., 2006). Izhodišč a za vzpostavitev kombinirane geodetske mreže 0. reda Slovenija ima nekaj geodetskih referenč nih omrežij: državno omrežje stalnih GNSS- postaj SIGNAL, astrogeodetsko mrežo, trigonometrič no mrežo, gravimetrič no mrežo in nivelmansko mrežo. Toč ke teh mrež in omrežij so stabilizirane na različ ne nač ine. Vsak poseg (zaradi gradnje, unič enja) v katerokoli toč ko kateregakoli omrežja pomeni poseg v referenč no geodetsko osnovo države. Prostorsko-č asovna stabilnost referenč ne osnove je neposredno povezana s č asovno stabilnostjo vseh geodetskih (referenč nih) toč k. Izhodišč e za kombinirano geodetsko mrežo, ki bi zajela č im več merskih tehnik na vsaki toč ki oz. postaji, je, da bo vsaka postaja omrežja tudi ustrezno geodetsko in pravno zavarovana. Tako bi lahko vzpostavili robustno omrežje, kjer kakršenkoli poseg v določ eno geodetsko toč ko ne bi pomenil posega v realizacijo državnega geodetskega referenč nega sistema. Kombinirana geodetska mreža bo zagotavljala kakovostno: • referenč no ogrodje državnega omrežja stalnih GNSS-postaj, • referenč no ogrodje državnega horizontalnega/terestrič nega referenč nega sistema, • referenč no ogrodje državnega višinskega referenč nega sistema, • referenč no ogrodje državnega gravimetrič nega referenč nega sistema ter • več namensko kalibracijsko mrežo tako za preverjanje kakovosti in ustreznosti merilnih instrumentov kot tudi metod in postopkov geodetske izmere. Zaradi navedenih vlog smo jo poimenovali kar kombinirana geodetska mreža 0. reda, saj so mreže 1. redov za posamezne referenč ne sisteme že vzpostavljene, mreža 0. reda pa jih bo na kakovosten nač in povezala v celoto. Namen vzpostavitve kombinirane geodetske mreže 0. reda je kontinuirano (nepre- kinjeno ali periodič no) izvajanje vseh možnih geodetskih opazovanj najvišje kakovosti za potrebe realizacije državnega geodetskega referenč nega sistema. Kot vemo, je treba za praktič no uporabnost koordinatni sistem fizič no vzpostaviti oziroma materializirati. V geo- deziji praktič no realizacijo referenč nega sistema izvedemo s fizič no postavitvijo toč k oz. postaj, na katerih in med katerimi izvajamo ustrezne geodetske meritve z namenom določ itve koordinat teh toč k v referenč nem sistemu. Praktič no realizacijo referenč nega sistema imenujemo referenč ni sestav. 39 Kakovostna geoinformacijska infrastruktura v obliki kombinirane geodetske mreže 0. reda bo ponudila tudi vrsto sekundarnih možnosti uporabe. Pomembna sta znanstveno- raziskovalni in aplikativni vidik, npr. pri geodinamič nih raziskavah, spremljanju vplivov globalnih sprememb ipd. Prav tako je takšna mreža zelo pomembna pri izvajanju različ nih inženirskih nalog, kot so spremljanje morebitnih horizontalnih in vertikalnih pomikov naravnega in grajenega okolja, in s tem pri zašč iti pred naravnimi nesreč ami. Zasnova kombinirane geodetske mreže 0. reda Idejni projekt kombinirane geodetske mreže 0. reda obsega: • analizo potreb za njeno vzpostavitev, in sicer za državno omrežje stalnih GNSS-postaj, za državni terestrič ni referenč ni sistem, za državni višinski referenč ni sistem, za državni gravimetrič ni sistem in za ostale predvidene funkcije mreže, ter • analizo možnosti za njeno vzpostavitev, ki se nanaša na možnost umestitve mreže, in sicer glede na obliko in velikost države, glede na reliefne danosti, glede na klimatske danosti in vegetacijo, glede na geološke, hidrološke in tektonske danosti ter glede na druge vplivne dejavnike. Na podlagi pripravljenih izhodišč in analiz sta bila izdelana: • predlog optimalnega števila toč k mreže in • predlog optimalne razporeditve toč k mreže. Predlaganih je 6 toč k kombinirane geodetske mreže 0. reda, njihove makrolokacije pa so določ ene s središč i krogov polmera 25 km (Slika 1). Slika 1: Makrolokacije šestih toč k kombinirane geodetske mreže 0. reda 40 Število toč k je bilo izbrano tako, da: • dobimo mrežo petih (Delaunayjevih) trikotnikov, ki vsebuje eno centralno in pet obod- nih toč k, in • je povpreč na dolžina stranic teh trikotnikov okoli 100 km. Makrolokacije so bile določ ene na podlagi kombiniranega predloga razporeditve šestih toč k mreže, ki je kompromis med dvema uporabljenima in delno nasprotujoč ima si geo- metrijskima kriterijema, in sicer: • da naj si bodo toč ke mreže č im bolj vsaksebi (tj. na kar največ jih medsebojnih oddaljenostih) in • da naj toč ke mreže č im bolj enakomerno pokrivajo celotno državno ozemlje, torej da naj bo poljubna toč ka državnega ozemlja č im manj oddaljena od najbližje toč ke mreže. Prvi kriterij izhaja iz vloge mreže kot referenč nega ogrodja (za realizacijo državnega geodetskega datuma), drugi kriterij pa je pomemben s stališč a zagotavljanja lokacijskih storitev za celotno državno ozemlje, kar nekoliko ublaži težnjo po postavitvi toč k na sami državni meji. Toč ka mreže Naselje v središč u 25 km kroga Mesta znotraj 25 km kroga severozahodna Kamno, Obč ina Tolmin Bovec, Tolmin jugozahodna Socerb, Obč ina Koper Izola, Koper, Piran, Sežana osrednja Litija, Obč ina Litija Domžale, Grosuplje, Hrastnik, Kamnik, Litija, Ljubljana (vzhodni del), Mengeš, Trbovlje, Trebnje, Višnja Gora, Zagorje ob Savi jugovzhodna Bedenj, Obč ina Č rnomelj Č rnomelj, Metlika osrednja severna Trbonje, Obč ina Dravograd Dravograd, Mežica, Prevalje, Ravne na Koroškem, Slovenj Gradec, Šoštanj severovzhodna Gibina, Obč ina Razkrižje Lendava, Ljutomer, Murska Sobota, Ormož Preglednica 1: Naselja znotraj krogov, ki opredeljujejo makrolokacije toč k mreže; krepko so označ ena mesta, ki so najbližje središč u kroga predvidene makrolokacije. Izvedena je bila analiza primernosti lokacij obstoječ ih geodetskih toč k znotraj krogov, ki opredeljujejo makrolokacije toč k kombinirane geodetske mreže 0. reda, in sicer: • trigonometrič nih toč k (astrogeodetske) mreže 1. reda, • stalnih GNSS-postaj omrežja SIGNAL, • reperjev nivelmanskih mrež visoke natanč nosti in 1. reda ter • toč k absolutne gravimetrič ne mreže. Poleg geodetskih pa so vsekakor zanimiva tudi nekatera sorodna omrežja, povezana z opazovanji dogajanj in pojavov na Zemlji kot planetu, njenem površju, notranjosti in atmosferi. Tako so bile v analizo vključ ene tudi: 41 • toč ke mreže potresnih opazovalnic ARSO, • toč ke mreže vremenskih opazovalnic ARSO, • astronomske opazovalnice in observatoriji ter • nekatere druge toč ke (npr. GEOSS – geometrič no središč e Slovenije). Morebitna delitev oz. združitev lokacij s toč kami teh omrežij bi lahko prinesla dodatne obojestranske koristi in možnosti interdisciplinarnega povezovanja. Primernost predlaganih obstoječ ih lokacij je bila ovrednotena po najbolj osnovnih krite- rijih, ki so: • lastništvo: v primeru odkupljenih parcel v lasti države, ministrstev, javnih agencij ipd.; • dostopnost: v primeru neproblematič nega dostopa do toč ke z osebnim vozilom in relativno majhne oddaljenosti od več jega naselja/mesta, zahtevana je možnost niveli- ranja – tj. priključ itve na nivelmansko mrežo; • infrastruktura: v primeru razpoložljivosti priključ itve na električ no in telefonsko omrežje oz. internetne povezave (pomembno za prenos podatkov); • geološka primernost: v primeru lokalne geološke stabilnosti, torej da ni posedanj, ni na plazovitem območ ju, ni na območ ju z več jimi nihanji podtalnice, ni v bližini več jih prometnic (tresljaji), ni na strehi stavbe ipd.; • možnost izvajanja meritev: v primeru lokacije z odprtim obzorjem (predvsem proti jugu), npr. na vrhu vzpetine ali prostrane ravnine, planote (brez visoke vegetacije), da v bližini ni ovir in virov elektromagnetnega sevanja ipd. Vse ocene so preliminarne, pridobljene brez terenskih ogledov in podrobnejših pre- verjanj. Dokonč ni izbor mikrolokacij bo odvisen od kriterijev idejnega projekta, hkrati pa bo zahteval podrobno preuč itev primernosti lokacij s terenskimi ogledi, testnimi meritvami (npr. kakovosti sprejema GNSS-signalov), geološkimi mnenji ipd. Stabilizacija toč k kombinirane geodetske mreže 0. reda Kombinirana geodetska mreža 0. reda mora izpolnjevati ustrezne mednarodne stan- darde, č e se bomo želeli vključ iti v mrežo ECGN in sodelovati v projektih za globalno spremljanje težnostnega polja Zemlje in modeliranje č asovno odvisnih sprememb v Zemljini skorji. Vsaka toč ka kombinirane mreže 0. reda je tako sestavljena iz naslednjih toč k (vsaka od teh toč k je namenjena različ nim geodetskim opazovanjem): • primarne toč ke, • referenč ne GNSS-toč ke, • referenč nega reperja za niveliranje, • referenč ne gravimetrič ne toč ke, • po možnosti referenč ne toč ke za mareografska opazovanja ter • toč k zavarovalne terestrič ne in nivelmanske mreže. Nač in stabilizacije mora omogoč ati tudi izvedbo astronomskih in geomagnetnih opazo- vanj. Različ ne referenč ne toč ke se lahko tudi združijo v eni sami toč ki (fizič no), izjema pa so seveda toč ke zavarovalne mreže. Primer enega izmed predlogov za stabilizacijo primarne toč ke je na Sliki 2. Možne so tudi drugač ne izvedbe, ki so pogojene predvsem z naravnimi danostmi (zaželena je stabilizacija na živi skali) pa tudi dodatnimi zahtevami na morebitni obstoječ i opazovalnici. 42 Toč ke zavarovalne mikromreže so razporejene v neposredni okolici primarne toč ke in so namenjene zavarovanju primarne in drugih referenč nih toč k (primer poškodbe, unič enja) ter spremljanju/ugotavljanju horizontalne in višinske stabilnosti primarne in referenč nih toč k na območ ju zavarovalne mreže. Zavarovalno mrežo naj bi sestavljale štiri toč ke, stabilizirane s talno stabilizacijo in ležeč e na oddaljenosti do 100 m od primarne toč ke. Toč ke zavarovalne mreže bodo stabilizirane z ustrezno temeljenim betonskim kvadrom velikosti vsaj 50 cm × 50 cm × 50 cm in z možnostjo prisilnega centriranja merilnih instrumentov. Poleg opisane zavarovalne mreže za spremljanje stabilnosti v horizontalnem smislu mora biti vzpostavljena tudi zavarovalna nivelmanska mikromreža. Sestavljajo jo štirje zavarovalni reperji, ki so lahko vgrajeni v istem betonskem temelju kot zavarovalne toč ke horizontalne mikromreže. Slika 2: Stabilizacija referenč ne toč ke z masivnim betonskim stebrom (Kogoj et al., 2009) Osnovne zahteve pri postavitvi toč ke kombinirane geodetske mreže 0. reda so: prido- bitev lastninske pravice na območ ju stabiliziranih referenč nih toč k (vsaj okoli 5 m × 5 m) in služnosti za toč ke zavarovalnih mrež v neposredni okolici, saj gre za trajne objekte državnega pomena. Toč ka mora biti dostopna z osebnim vozilom, zagotovljena mora biti možnost niveliranja. Na voljo mora biti ustrezna infrastruktura, kot je priklop na električ no omrežje in ustrezna telekomunikacijska povezava (za prenos podatkov). Lokacija mora biti geološko primerna. Pogoj pa je seveda tudi nemoteno izvajanje vseh predvidenih meritev, kar je povezano z ustrezno odprtim obzorjem brez moteč ih ovir, odsotnostjo moteč ih izvorov elektromagnetnega valovanja, moteč ih vibracij terena ipd. Poleg stebrov z refe- renč nimi toč kami je na lokaciji vsake toč ke predvidena tudi manjša uta z merilnim instru- mentarijem in komunikacijsko opremo. 43 Zaključ ek Idejni projekt kombinirane geodetske mreže 0. reda podaja izhodišč a ter na podlagi izvedenih analiz potreb in možnosti za izvedbo projekta podaja tudi predlog optimalnega števila in razporeditve toč k kombinirane geodetske mreže 0. reda. Predlaganih je šest toč k, njihove makrolokacije pa so določ ene z območ ji znotraj krogov polmera 25 km. Kombinirana geodetska mreža 0. reda bo eden izmed temeljev sodobne državne geo- informacijske infrastrukture. Povezala in zavarovala bo referenč na ogrodja državnega omrežja stalnih GNSS-postaj, horizontalnega/terestrič nega referenč nega sistema, višin- skega referenč nega sistema ter gravimetrič nega referenč nega sistema. Zaradi specifič nih zahtev posameznih omrežij bo iskanje ustreznih mikrolokacij zahtevno delo, ki bo vklju- č evalo podrobno analizo s terenskimi ogledi, testnimi meritvami, geološkimi mnenji in podobnim. Vsekakor bodo pri iskanju ustreznih mikrolokacij najprej preverjene toč ke obstoječ ih geodetskih mrež. Možna in s strani geodezije zaželena bi bila tudi delitev oz. združitev lokacij s toč kami sorodnih omrežij (npr. mrež potresnih ali vremenskih opazovalnic). Slednje bi lahko prineslo dodatne obojestranske koristi in možnosti združevanja različ nih prostorskih in okoljskih podatkov. Zahvala Naroč nik predstavljenega CRP-projekta (V2-1096) je Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije – ARRS, sofinancer pa Geodetska uprava Republike Slovenije – GURS. Literatura in viri Berk, S., Bajec, K., Fajdiga, D., Bitenc, M., Radovan, D., Ambrožič , T., Koler, B., Kuhar, M., Pavlovč ič Prešeren, P., Savšek, S., Sterle, O., in Stopar, B. (2012). Zasnova temeljne več namen- ske državne geoinformacijske infrastrukture. Konč no poroč ilo. Geodetski inštitut Slovenije, Ljubljana (v pripravi). Brockmann, E., Becker, M., Bürki, B., Gurtner, W., Haefele, P., Hirt, C., Marti, U., Müller, A., Richard, P., Schlatter, A., Schneider, D., in Wiget, A. (2006). Realization of a Swiss Combined Geodetic Network (CH-CGN). Report on the Symposium of the IAG Subcommission 1.3a Europe (EUREF). Bratislava, Slovaška, 2.–5. junij 2004. Reports of the EUREF Technical Working Group (TWG) – EUREF publication, št. 14. Verlag des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt na Majni, 2006, 8 str. Ihde, J., Baker, T., Bruyninx, C., Francis, O., Amalvict, M., Kenyeres, A., Mäkinen, J., Shipman, S., Šimek, J., in Wilmes, H. (2005). Development of a European Combined Geodetic Network (ECGN). Journal of Geodynamics, letn. 40, št. 4–5, 2005, str. 450–460. Ihde, J., Baker, T., Bruyninx, C., Francis, O., Amalvict, M., Luthardt, J., Liebsch, G., Kenyeres, A., Mäkinen, J., Shipman, S., Šimek, J., in Wilmes, H. (2006). The implementation of the ECGN Stations – Status of the 1st Call for Participation. Report on the Symposium of the IAG Subcommission 1.3a Europe (EUREF). Bratislava, Slovaška, 2.–5. junij 2004. Reports of the EUREF Technical Working Group (TWG) – EUREF publication, št. 14. Verlag des Bundes- amtes für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt na Majni, 2006, str. 49–58. Kogoj D., Marjetič A., Ambrožič T., Stegenšek B., Trlep D. (2009). Geodetske meritve stabilnosti odlagališč a rudniške jalovine Jazbec, nič elna meritev. UL FGG, Katedra za geodezijo, Ljubljana. 44 Plag, H.-P., Rothacher, M., Pearlman, M., Neilan, R., in Ma, C. (2009). The Global Geodetic Observing System. Solid Earth. Advances in Geosciences, letn. 13, 2009, str. 105–127. Poutanen, M., Knudsen, P., Lilje, M., Nørbech, T., Plag, H.-P., in Scherneck, H.-G. (2007). The Nordic Geodetic Observing System (NGOS). Dynamic Planet. Monitoring and Understanding a Dynamic Planet with Geodetic and Oceanographic Tools. IAG Symposium, Cairns, Avstralija, 22.–26. avgust 2005. International Association of Geodesy Symposia, letn. 130, zv. VI, 2007, str. 749–756. Rummel, R. (2011). Preface (GOCE – The Gravity and Steady-State Ocean Circulation Explorer). Journal of Geodesy, letn. 85, št. 11, 2011, str. 747.