GEODESY 2:Topic 1

INTRODUCTION TO PHYSICAL GEODESY

SYLLIBUS:

1.1 Understand the earth’s gravity.1.1.1 Explain the gravity field of the earth.1.1.2 Describe principles of gravity measurement andequipment.1.1.3 Describe the terrestrial gravity measurement.1.1.4 Describe the gravity reduction and topographic effect(temporal variation).1.2 Know the gravity data.1.2.1 Calculate the gravity data observation correction.1.2.2 Calculate the gravity data reduction.1.3 Understand the dynamic satellite.1.3.1 Explain the dynamic satellite in Geodesy.

INTRO…

American Geophysical Union Definition:

"The science that determines the size and shape of the earth, the precise positions and elevations of points, and lengths and directions of lines on the earth's surface, and the variations of terrestrial gravity"

WHAT IS GEODESY?

� Establishing reference datums and coordinate systems for the definition of

• horizontal positions of points • distances and directions between points • elevations of points

� Determination of geophysical properties such as the gravity field on or near the surface of the earth, geoid (mean sea level) and deflection of vertical (plumbline) .

� Study and monitor the geo-dynamics phenomena such as ocean and earth tides, crustal (tectonic) movements, polar motion, and the variations in earth rotation and gravity field .

Functions of Geodesy:

Observation Techniques in Geodesy

� • Astronomical

� • Terrestrial

� • Space

Terrestrial Observations

� • Arc measurements (historic) ◦ • Triangulation, Trilateration, Traversing

� • Leveling

� • Zenith or vertical angles

� • Gravity

CONT…

Applications of Geodesy

� • Surveying and mapping

� • Defense

� • Geophysical explorations

� • Space explorations

� • Communication, Navigation, etc.

CONT…

✓ Gravimetric or physical geodesy is the science that studies geophysical and geodynamic properties of earth, and includes earth gravity field and attractions of sun, moon and planets .

✓ Bumi tidak berbentuk bulat (sfera) tetapi mirip kepada bentuk elips.

✓ Nilai graviti berubah daripada 978 gal di garis khatulistiwa ke nilai 983 gal di titik kutub.

✓ Rumus graviti antara bangsa digunakan untuk mengira nilai graviti bumi di mana-mana titik di atas permukaan bumi.

✓ Tarikan graviti bumi ini adalah disebabkan oleh tarikan inti bumi. Hanya 0.3 % tarikan berasal daripada kerak bumi dan 15 % daripadanya disebabkan oleh bahan-bahan bumi pada kedalaman diantara 0 - 5 km iaitu 0.01 % daripada keseluruhan daya tarikan graviti bumi.

1.1.1 Explain the gravity field of the earth.

a) Bumi yang tidak berbentuk sfera.

b) Ketumpatan batuan yang tidak homogen (berbeza)

c) Perbezaan ketinggian stesen pengukuran.

d) Kesan pasang surut

Perbezaan graviti adalah disebabkan oleh:

Apakah takrif Graviti?

o Daya atau tarikan yang terhasil oleh tarikan universal bumi dan tarikan mengempar (centrifugal) hasil dari putaran bumi.

o Kekuatan daya tarikan graviti bergantung kepada kedudukan dan masa

Tujuan / Kepentingan data Graviti :✓ Penurunan pengukuran geodetik dari permukaan

bumi ke elipsoid rujukan

✓ Penentuan ketinggian Ortometrik – Ukur Aras

✓Menentukan medan graviti bumi (sebagai fungsi kedudukan dan masa)

✓ Penentuan saiz dan bentuk rupabumi.

✓Untuk carigali bahan mineral, pengukuran pasang surut bumi, pergerakan kerak bumi dan juga mengesan perubahan pada pemalar graviti

1.1.2 Describe principles of gravity measurement and equipment.

Principle of Absolute Gravity Measurement

Principle of free fall method:

Rekodkan masa bagi sesuatu jasad yang jatuh secara

bebas pada satu titik yang diketahui jaraknya.

Masa ditentukan secara elektronik dan jarak diukur

secara interferometri.

Dilakukan dalam bilik hampagas.

Principle of Rise and Fall Method:

Perlambungan jisim ke atas dan jatuh semula ke bawah.

Jisim akan melalui sesuatu aras sebanyak dua kali iaitu semasa naik dan turun.

Masa direkodkan.

Principle of Pendulum Method:

Principle of Absolute Gravity Measurement

Equipment:

FG5 Absolute GravimeterGravimeter G888

� Mencondongkan alat gravimeter� Menggunakan stesen rujukan graviti sebagai semakan

bacaan.� Menambahkan jisim pada sistem spring.

Kalibrasi alat Gravimeter:

1.1.3 Describe the terrestrial gravity measurement.

o Kaedah Terabas (Traverse) – pengukuran dimulakan di stesen rujukan (nilai diketahui) dan diakhiri di stesen sama @ rujukan lain.

o Kaedah Pergi Balik (Direct & Reverse) – memberikan 2 bacaan setiap stesen dan melibatkan satu stesen rujukan sahaja.

o Kaedah Bintang (Star) – cerapan dibuat di stesen rujukan setiap kali selepas cerapan di titik lain.

o Kaedah Gelung Hadapan (Forward Loop) – Setiap stesen dicerap 3 kali dan boleh diakhiri di stesen rujukan permulaan atau stesen akhir.

Kaedah Pengukuran Graviti

Nilai graviti diketahui

Nilai graviti dicari

Nilai graviti diketahui

KAEDAH TERABAS:

1.1.4 Describe the gravity reduction and topographic effect(temporal variation).

Pembetulan Nilai Graviti :➢ Ketinggian alat – perlu dibuat sekiranya alat

diletakkan pada ketinggian berbeza di setiap stesen. Perubahan kecil pada nilai graviti disebabkan perubahan kecil ketinggian.

➢ Pasang Surut Bumi – Bumi mengalami deformasi kerana adanya pasang surut dan nilai graviti yang berubah secara berkala.

➢Drift alat – menyebabkan bacaan kaunter alat berubah dengan masa (spring alat sentiasa berkeadaan tegang dan perlahan-lahan akan memanjang) selain perubahan suhu

Jenis Drif

➢ Jisim dan bentuk bumi (Earth Mass & Shape)

➢ Lokasi stesen di permukaan (X, Y / Lat, Long)

➢ Bulan dan Matahari (ocean & earth tides)

➢ Instrument Drift (untuk graviti relatif)

➢ Ketinggian stesen diduduki (di atas MSL/Geoid)

➢ Density/Mass of Rock (antara geoid dan stesen diduduki)

➢ Terrain Irregularities/ permukaan tanah tidak sekata yang tidak

diambil kira

Perkara yang Mempengaruhi Bacaan Graviti

a. Pembetulan rayapan : ✓ i) Bacaan graviti di stesen induk diulang dua atau tiga kali dan

masa setiap bacaan diambil dicatitkan. ✓ ii) Plot lengkung rayapan dengan menganggap graviti berubah

secara linear. ✓ iii) Pembetulan dilakukan langsung daripada graf

b. Pembetulan latitud (gq)

✓ i) Nilai graviti bertambah dari titik khatulistiwa ke titik kutub. ✓ ii) Pembetulan dibuat berdasarkan kepada rumus : ✓ g

q = 9780490 ( 1 + 0.0052884 Sin2q- 0.0000059 Sin 22q)

di mana q = garis latitud✓ iii) Jika beza latitud kecil, rumus berikut boleh digunakan : ✓ g

q = A B/r (Sin 2q)

✓ = 0.8122 Sin 2 q( miligal / km )

1.2.1 Calculate the gravity data observation correction.

i ) Pembetulan Udara Bebas

gf = 2 g h / R

= 0.3086 h miligal ( h ialah ketinggian dalam meter)

= 0.09406 h miligal ( h ialah ketinggian dalam kaki)

ii) Pembetulan bouguer

gb= 2. G . δ.h miligal

= 0.04191. δ. h miligal ( h ialah ketinggian dalam meter)

= 0.01277. δ .h miligal ( h ketinggian dalam kaki )

di mana ,δ = ketumpatan.

c. Pembetulan Ketinggian:

i ) Pembetulan ini mengambil kira kesan tarikan oleh topografi disekeliling stesen ukuran.

ii) Memerlukan carta Hammer dan peta topografi yang sama skalanya.

iii) Pembetulan topografi dilakukan dengan menggunakan carta Hammer dan jadual pembetulan berdasarkan beza ketinggian.

iv) Pembetulan ini perlu dicampurkan dengan data graviti lapangan.

d. Pembetulan Terain ( topografi)(gt)

✓ gm

= go + g

q - g

f + g

b + g

t ( jika h - ve )

= go + g

q + g

f - g

b + g

t ( jika h + ve )

jika gm

= 0 ,

✓ Ia menunjukkan jisim dibawah paras datum adalah homogen ie. Nilai ketumpatan adalah tetap.

✓ gm

= beza graviti antara stesen lapangan dan stesen bes

✓ go = beza graviti sebelum pembetulan(graviti cerapan)

✓ gq = pembetulan latitud ,

✓ gf = pembetulan udara bebas ,

✓ gb = pembetulan bouguer ,

✓ gt = pembetulan terain

ANOMALI GRAVITI

1.2.2 Calculate the gravity data reduction.

o Data-data ukuran di padang akan diproses menggunakan

perisian berikut:

o Ortocor.exe/Glap.exe(Tertib Pertama & Kedua)

oGravprov2b.exe (Tertib Ketiga)

o Hasil dari prosesan data akan memaparkan nilai graviti

muktamad stesen yang diduduki (dalam unit µGal)

o Kejituan pengukuran boleh dilihat pada nilai sisihan piawai

yang dihasilkan

o Ukuran perlu dijalankan semula sekiranya kejituan yang

diperolehi tidak menepati tikaian yang dibenarkan

o Data yang sudah diproses

akan didokumen dan

disimpan dalam

pangkalan data graviti.

1.3.1 Explain the dynamic satellite in Geodesy.

oPengukuran graviti dari angkasa lepas (outerspace) ditentukan melalui pengukuran dari satelit yang berada di orbit ke bumi (GRACE,GOCE,CHAMP)

� CHAllenging Minisatellite Payload

� German small satellite mission for geoscientific and atmospheric research and applications.

� Designed and built by the Daimler Chrysler Aerospace Jena Optronik GmbH.

� Managed by Geo Forschungs Zentrum Potsdam (GFZ), Germany's National Research Center for Geosciences.

� Generate for the first time simultaneously highly precise gravity and magnetic field measurements over a 5 years period.

CHAMPPrimary scientific objectives:✓ highly precise global long-

wavelength features of the static Earth gravity field and the temporal variation of this field,

✓ with unprecedented accuracy of global estimates of the main and crustal magnetic field of the Earth and the space/time variability of these field components,

✓ with good global distribution of a large number of GPS signal refraction data, caused by the atmosphere and ionosphere, which can be converted into temperature, water vapor, and electron content.

Components of the CHAMP Satellite

Using precise location and an accelerometer, recorded changes in the satellite’s direction are used to measure gravity.

27 feet long including its 13 foot boom, 5 feet wide, and 2.5 feet high

Weighs 1,151 lbs

� Joint satellite mission between the National Aeronautics and Space Administration (NASA) and the Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) (German Center for Air and Space Travel).

� Successor of the CHAMP mission. � Mission: to provide, with unprecedented accuracy, estimates of the

global high-resolution models of the Earth's gravity field for a period of up to five years.

� Uses two satellites on the same orbital track, separated by about 200 kilometers.

� Satellites are interconnected by a K-band microwave link that will measure the separation distance and its rate of change to an accuracy of 1 μm/s .

GRACE

GRACE

Uses the change in distance between the satellites to determine the gravity.

SEKIAN…..TERIMA KASIH