Tényleg csak egy gombnyomás?

A Föld felszínén való tájékozódás és helymeghatározás igénye egyidős az emberiség történetével. A térképészet elsőségét nem vitatnánk, ezzel együtt a két foglalkozást összehasonlítva egyrészt elmondható, hogy a földmérés többet változott, fejlődött az évszázadok során, másrészt a geodéták is számos emberrel kerülnek kapcsolatba a munkájuk során, és térképekkel, pontos geometriai adatokkal szolgálják ki az igényeiket.

Dr. Siki Zoltán, az MMK Geodéziai
és Geoinformatikai Tagozatának elnöke

A cikkben egy rövid történeti áttekintés után a XXI. században felgyorsult technológiai fejlődés geodéziai eszközökre és technológiára kifejtett hatását mutatjuk be a teljesség igénye nélkül.

Történelmi visszatekintés

Az ókori görög tudomány a geometriában fejlett volt, Eratoszthenész végezte az első fokmérést, mely alapján meglepően pontosan ki tudta számítani a gömb alakúnak feltételezett Föld főkörének hosszát. A következő nagy lépés a középkorban a távcső felfedezése volt. Bár már az ókori asszírok tudtak lencséket készíteni, mai ismereteink szerint az első távcsövet a XVII. század elején készítette a holland Hans Lippershey. A XX. század második feléig a műszerek optikájának, mechanikájának tökéletesítésével telt el az idő. Az elektrooptikai távmérők sorozatgyártása az 1950-es években indult el, ezekkel gyors és nagy pontosságú távolságmérés vált lehetővé. Később a távmérő és szögmérő műszereket egybeépítették, ennek eredményeképpen alakultak ki az úgynevezett mérőállomások. Magyarországra az első mérőállomás (Elta 2) az 1980-as évek elején került, amely ma a Paksi Atomerőmű múzeumában látható.

A fényképezés XIX. századi szabadalmaztatása után már nem sokkal fényképeket is alkalmaztak tárgyak méretének meghatározására, ezt a területet fotogrammet­riának nevezzük, mely a fényképeken végzett mérésekből vezeti le a tárgyak valódi méretét. Aztán repülőgépek és fényképezőgépek házasításával alakult ki a légi fotogrammetria, mely felgyorsította a térképek előállítását. Az első világháborúban már tömegesen alkalmazták a légifényképeket a csapatmozgások megfigyelésére.

A távmérők fejlesztésével párhuzamosan az űrkutatás is nagy léptekkel fejlődött, a 1970-es években állították Föld körüli pályára az első, polgári célokra is használható földmegfigyelő műholdakat (LandSat). Elsősorban a haditengerészet navigációs igényeinek kiszolgálására kezdtek globális műholdas helymeghatározó rendszerek fejlesztésébe az USA-ban. A GPS rendszer 1993-ra épült ki teljesen. Geodéziai pontosság (néhány cm) csupán a műholdakról érkező jelek feldolgozásával nem érhető el. A különböző hibahatások, elsősorban az ionoszféra időben változó késleltetésének kiküszöbölésére legalább két vevő észlelésének együttes feldolgozásával van lehetőség. A globális műholdas helymeghatározó rendszerek (GNSS) kapcsán meg kell jegyezni: a magasságmeghatározás kisebb megbízhatóságának egyik oka a Föld nehézségi erőterének nem elég pontos ismerete.

Új technológiák
a XXI. században

Az ezredforduló után eddig eltelt időszakban a leglátványosabb változás a geodéziában a hatékony, horribilis mennyiségű adatot gyűjtő eszközök megjelenése volt. A földi lézerszkennerek (TLS) másodpercenként akár 1 000 000 pont pozícióját képesek meghatározni az eszköz néhány száz méteres környezetében. A távmérő lézersugár irányát függőleges értelemben egy nagy sebességgel forgó tükör változtatja (270–290 fokban), vízszintes értelemben az eszköz forog körbe (360 fokban). Egy-egy létesítmény külső és/vagy belső szkenneléséhez több álláspontból kell mérni a takarások miatt. Az egyes álláspontokról készült pontfelhők összetranszformálása a pontfelhőben leképződő, ismert koordinátájú gömb vagy kör alakú speciális jelek, vagy a pontfelhők közös pontjai alapján történhet meg, az adatok feldolgozása során egy megfelelő számítógépes programban.

A pontfelhőben a pontok sűrűsége a műszer szögfelbontásától és az attól mért távolságtól függ, általában 1 cm körüli értékről beszélhetünk. A szkennelés során általában fénykép is készül, és ez alapján minden egyes mért ponthoz a fényképből egy szín rendelhető. Így a szkennelt terület pontokra bontott modellje jön létre a számítógépen. Ha a lézersugár mozgását egy síkban korlátozzuk és egy mozgó eszközre rögzítjük azt, akkor a mozgáspálya környezetét mérhetjük fel. A mozgáspálya meghatározása általában GNSS technikával történik. Ha repülőgépre szereljük a sík szkennert, akkor LiDAR rendszert kapunk. A visszaverődő lézersugárból több diszkrét pont távolsága is meghatározható, például a növényzet leveléről, egy ágról és a talajról érkező részleges visszaverődésekből. Ez alapján a legközelebbi visszaverő pontokból felszínmodell, vagy a legtávolabbi visszaverő pontokból terepmodell állítható elő (természetesen megfelelő szűrési, feldolgozási módszerek esetén). A sík szkennert egy autóra, hajóra vagy vasúti kocsira szerelve és a GNSS mellett inerciális rendszerrel, odométerrel, fényképezőgépekkel, kamerákkal kiegészítve mobil térképező rendszert (MMS) kapunk. A jármű akár 30–50 km/h sebességgel is mozoghat.

A pilóta nélküli repülő eszközök kisebb, néhány tíz hektáros terület felmérésében költséghatékony megoldást kínálnak. A szélesebb körben elterjedt négy-, illetve nyolcrotoros kopterek korlátozott teherbírása és akkumulátorkapacitása miatt a fotogrammetria-módszerek jönnek szóba. A fényképek automatizált elkészítése után a korszerű fotogrammetriai szoftverek nagy mértékben automatizáltan képesek a fényképekből pontfelhőt előállítani. A repülési magasság függvényében akár néhány centiméteres sűrűségű pontfelhő állhat elő.

Manapság a legnagyobb kihívás, hogy a sok millió pontot tartalmazó pontfelhőből kezelhető mennyiségű adatot tartalmazó állományt állítsunk elő minél hatékonyabban, automatizáltan. Ezen a területen intenzív kutatások folynak.

A műholdakról készített, civil felhasználásra elérhető űrfelvételek ma már a félméteres felbontást is elérik, ezt pél­dául a Google-térképben is tapasztalhatjuk. Ennél azonban a mérnöki alkalmazások szempontjából izgalmasabb az úgynevezett radar-interferometria (InSAR, PSInSAR). A műholdakról különböző időpontokban, ugyanarról a területről készített radarképek interferenciaképeiből akár 1 mm/év függőleges felszínmozgások mutathatók ki. Az Európai Űrügynökség (ESA) a Copernicus program keretében két radarműholdat (Sentinel 1A és Sentinel 1B) állított Föld körüli pályára 2014-ben, illetve 2016-ban, melyek adataihoz a felhasználók ingyenesen hozzájuthatnak. Ezzel a módszerrel nagyobb területekre kiterjedő süllyedésvizsgálatok hajthatók végre, utólag is korábbi, archivált radarképek felhasználásával.

Az ESA egy másik projektjéről is érdemes megemlékezni, mely csak áttételesen érinti a mérnöki tevékenységet. Ez a GOCE projekt (2009–2013), mely a Föld gravitációs terének pontosabb felmérését célozta meg. Ennek hatására mérnöki felhasználásra GNSS technológiával pontosabban határozhatók meg a magasságok. 2010-ben a Magyar Mérnöki Kamara és a Budapesti és Pest megyei Mérnöki Kamara szervezésében, a Pécs Európa Kulturális Fővárosa program keretében 3D filmvetítés volt a projektről, és műholdmaketteket állítottak ki. A GNSS technológia geodéziai felhasználásában az aktív GNSS hálózatok, a hálózati RTK szolgáltatások megjelenésének köszönhetően egy geodéziai GNSS vevővel és az interneten keresztül érkező korrekciókkal a geodéziai pontosság elérhető. Az amerikai GPS és az orosz GLONASS rendszer mellet az európai Galileo rendszer teljes kiépítése 2020-ra várható.

A radartechnika a közművek kutatásában is megjelent a talajradareszközökben (GPR). Ezek kis mélységig, a ­frekvencia függ­vényében maximum 10–20 méterig metszetekben képesek feltérképezni a föld alatti térséget. A számos új eszköz megjelenése ellenére a mérnökgeodéziában még továbbra is találkozhatunk mérőállomásokkal. Ezen a területen a robot-mérőállomásokra alapozott monitoringrendszerek jelentenek újdonságot, a mérőállomás automatizáltan, emberi beavatkozás nélkül képes kihelyezett prizmákra mozgásvizsgálati méréseket elvégezni. Ilyen rendszert alkalmaztak többek között a négyes metró, illetve a Kossuth téri mélygarázs építésénél.

A nagy tömegű adatok (Big Data) feldolgozásához újabb szoftverek jelentek meg, ezzel együtt a hardverrel kapcsolatos elvárások is megnövekedtek. Ezen területen bekövetkezett változások ebbe a rövid áttekintésbe nem férnek bele. Annyit azért érdemes megjegyezni, hogy az informatika, térinformatika/geoinformatika területén egyre nagyobb nyitottság tapasztalható. Ez egyrészt a nyílt szabványokat jelenti (a nyílt szabványok mindenki számára ingyenesen vagy minimális költséggel elérhetők), másrészt egyre nagyobb mennyiségben nyílt adatokkal találkozhatunk, harmadrészt az adatok kezelésére nyílt forráskódú szoftvereket használhatunk, melyek a (nyílt) szabványokat követik.

A nyílt térképi adatok egy része önkéntes közösségek által gyűjtött adatokat jelent, ennek legsikeresebb példája az OpenStreetMap, másrészt a nyílt adatok az adat tulajdonosának döntése alapján jöhetnek létre, itt jellemzően az állami intézmények által létrehozott térképi adatok ingyenes megosztásáról van szó. Például az ESA Copernicus projekt keretében előállított műholdas távérzékelési adatok említhetők.

A felsorolt geodéziai műszerek, technológiák mindegyike háromdimenziós adatok előállítására alkalmas, így az építőiparban egyre inkább elterjedt BIM rendszerekhez szükséges 3D-s adatok előállítása a geodétáknak nem jelent igazán újdonságot, extra igényt.

Mire számíthatunk?

A mind gyakoribb technológiaváltások a geodéziai mérések területén egyre nagyobb kihívást jelentenek a szakemberek számára. Emellett vagy éppen ezért a technológiák, az eszközök és a szoftverek zöme egyre inkább abba az irányba halad, hogy a felhasználó minél kevesebb ismerettel, gyorsan elsajátíthassa a használatát, "csak egy gombot kell megnyomni". Ez óhatatlanul együtt jár azzal, hogy a megoldási lehetőségeket leszűkítik és az innováció lehetőségét kizárják.

A gondolkodó, az alkotó mérnököt az automatizált eszközök nem helyettesítik (remélhetőleg még sokáig).