Tauno Suominen mainitsi Maanmittauspäivien 2018 esityksessään Tampereen Hervannassa sijainneen takymetrien järjestelmäkalibrointiin tehdyn rakennusmittausten testikentän. Koska yrityksessämme on paljon muistoja tuohon kyseiseen, jo tuhoutuneeseen kenttään liittyen, niin kerrottakoon kentästä hieman lähemmin alla. Lisäksi Tampereella testattiin stereo-operaattoreita ja Ruskossa sijaitsi fotogrammetrinen testikenttä.
Silloisten TTY:n tutkijoiden nerokkaasti suunnittelemalla rakennusmittausten testikentällä oli peruskallioon mitattuja pisteitä, joiden välinen etäisyys oli tyypillisesti 50 -60 m ja joiden välillä oli huomattavia korkeuseroja.
Kuvassa Heinosen Hannu pohtii selvästi jalustan pystyttämistä lumen peittämälle monikulmiopisteelle 1990-luvulla.
Tampereen kentällä pisteiden välinen etäisyys oli optimaalinen haluttaessa eliminoida ympäristön ja sään vaikutus optisen mittauksen virhetekijöistä. Vaakatasosta poikkeavat tähtäyskulmat ovat myös tyypillisiä käytännön rakennusmittauksissa, mutta valmistajat ilmoittavat laitteiden tiedoissa mittaustarkkuuden vain vaakatasossa tehtäville mittauksille. Näin Tampereella saatiin selville, millaisiin tarkkuuksiin laitteistoilla voidaan päästä käytännön mittaustilanteissa.
Kentän pisteet oli mitattu huolellisesti – kulmat sveitsiläisen Kernin parhaalla DKM-3 optisella teodoliitillä ja etäisyydet saman valmistajan Mekometer ME5000 elektronisella, erittäin tarkalla etäisyyden mittauslaitteella sekä korkeudet sveitsiläisen WILD Heerbruggin valmistamalla WILD N3 tarkkavaaituskojeella. Näin toteutettiin vanha periaate astetta tarkemmilla instrumenteillä tehdyistä referenssimittauksista kuin vertailtavat laitteistot, tyypillisesti takymetrit. Kentän suunnittelusta ja mittauksista tehtiin huolellinen dokumentointi.
Kuvassa näemme kalliotöppäreelle sijoitetun pisteen.
Testaajat saapuivat kentälle mittauslaitteistoineen mukaan lukien laitteiden jalustat, pakkokeskistyslaitteet ja prismat eli koko oma mittauskalusto. He mittasivat neljän täyden havaintosarjan mukaisesti havaintoja pisteeltä toiselle kaikkiin suuntiin (kaikilta pisteiltä kaikille pisteille, jolloin myös pisteiden väliset lävistäjät mitattiin) ja näiden verkkomaisten havaintojen perusteella laskettiin geodeettinen verkko. Verkkomainen pisteistö antoi mahdollisuuden laskea monikulmiojonoja eri pisteiden kautta, jolloin laitteiden mittaustarkkuuksia pystyttiin analysoimaan ja laitteiden ja koko kaluston kuin myös havaitsijoiden virheet paikallistamaan sekä kohdistamaan virheen aiheuttajaan, virhelähteeseen.
Moni mittaryhmä lähti varsin nöyränä pois kentältä, kun millimetrien tarkkuuksia mittaavilla laitteistoilla saatiin useiden senttien virheitä verkkomittauksissa. Pitkän päälle virhelähteiden selvittäminen ja sitä kautta mittaustulosten parantuminen vaikutti positiivisesti mittaajien ammattitaitoon ja mittausjärjestelmistä alettiin pitää parempaa huolta. Tauno Suomisen mukaan iso osa virhelähdettä olivat jalustat.
Heinosen Hannun kokemukset virhelähteistä liittyvät puolestaan isolta osin prismoihin. Takymetreissä käytettävät prismat olivat asennetut runkoihinsa joko nodaalipisteensä kohdalta tai nollapisteensä kohdalta. Nollapistekiinnitteisissä prismoissa prismalasi oli kiinnitetty niin, että mittaussäteen prisman sisällä kulkema poikittainen matka oli huomioitu kiinnityksessä tuomalla prisma mitattavan pisteen etupuolelle (takymetriin päin) jolloin prismavakio oli nolla. Nodaalikiinnitteisessä prismassa prismalasi on kiinnitetty prisman sisällä näkyvän hiontasärmien kuvajaisen kohdalta ja prismalle on laskettu matemaattinen korjausarvo, prismavakio esim. 35,73 mm. Tällaiseen prismaan mitattu matka on tuon matemaattisen prismavakion verran liian pitkä, joten tässä tapauksessa takymetrin prismavakioksi on asetettava -35,73mm.
Eri läpimitan ja eri pituuden omaavilla prismalaseilla on siis erilainen matemaattinen prismavakio, joka mittaajan on tiedettävä. Riippumatta siitä onko kyseessä nolla- vai nodaalikiinnitteinen prisma, jokaisessa prismassa on vielä yksilöllinen nollapistevirhe, jopa pari kolme milliä, joten kaikki prismat olisi kalibroitava yksilöllisesti ja aina yhdessä kyseisen mittauslaitteen kanssa.
Kaiken tuon lisäksi prismojen soveltuvuuteen kyseisen takymetrin kanssa käytettäväksi vaikuttaa prismalasin lasiseos. Nikonin sekä Zeissin osalta laitevalmistajan oli helppo tehdä uudet prismat, sillä optisen lasin valmistus tapahtui molemmissa yrityksissä konsernin sisällä. Japanilaiset takymetrien valmistajat käyttivät tuolloin tyypillisesti Nikonin lasitehtaan valmistamia optisen lasin lasiseoksia ja eurooppalaiset puolestaan Zeiss Schottin lasitehtaan valmistamia optisen lasin lasiseoksia. Näin ollen mekaanisen rakenteen lisäksi prismat voitiin tehdä laitteiston mittaussäteen kannalta optimaalisesta lasiseoksesta. Ja mittaustulokset parantuivat.
Testikentällä mitattaessa huomattiin melko nopeasti, että nollakiinnitteisillä prismoilla ei saatu tarkkoja lopputuloksia, joten testimittauksissa siirryttiin käyttämään nodaalikiinnitteisiä prismoja. Syy tähän on yksinkertainen ja yksiselitteinen. Tarkkoja havaintoja tehtäessä takymetrillä on kohdistettava tähtäys prisman sisällä näkyvään hiontasärmien muodostamaan kuvajaiseen eli nodaalipisteeseen, joka on aina tarkasti mitattavan pisteen päällä vaikka prisma ei olisikaan absoluuttisen tarkasti suunnattuna takymetriin.
Nollakiinnitteisessä prismassa tuo kyseinen kuvajaispiste, nodaalipiste, on aina hieman suunnaltaan poissa mittaussuunnassa mitattavaan pisteeseen nähden joko korkeussuunnassa tai sivusuunnassa ja useimmiten molemmissa. Tätä virheen eliminoimista testattiin useaan otteeseen Hervannassa ja todettiin, että nollakiinnitteinen prisma ei koskaan ollut suunnattuna riittävän tarkasti kohti takymetriä ellei mittaaja takymetrillä tähtäämällä prismaan antanut hienosäätöohjeita jalustalla pakkokeskisteisesti olevan prisman kohdistamiseksi kohti takymetriä. 5-10 minuutin ähellyksen jälkeen prisma oli saatu yleensä suunnatuksi riittävän hyvin, mutta näinhän ei voida normaalissa mittauksessa menetellä, joten nodaalikiinnitteiset prismat todettiin ainoiksi toimiviksi tuotteiksi.
Nikonin prismat olivat tuolloin nollakiinnitteisiä, joten Hannu suunnitteli ja piirsi piirustukset nodaaliprisman valmistamiseksi. Zeissilta löytyi Nikonin takymetrin aallonpituudelle sopiva lasiseos ja kun Zeiss hioi tarvittavat prismat, syntyi GTP1 nodaaliprisma ja Nikonin takymetrikalustosta tuli tarkka ja menestyksekäs laitteisto markkinoille.
Mikähän mahtaa olla nykyisten automaattisesti kohdistavien robottitakymetrien 360-prismojen todellinen mittaustarkkuus sivu-, korkeus- ja etäisyydenmittaussuunnassa – sentti taitaa olla jo vaikeasti saavutettavissa? Hervannan vanhaa testirataa tarvittaisiin tuon asian toteamiseksi.
Kuvassa Zeissin silloinen geodesian myyntipäällikkö Hansselman ja mittaajana Zeissin kehityspuolen tohtori.
Eräs mielenkiintoisimpia kentän mittausten avulla havaittuja laiteongelmia oli Taunon ja Hannun Zeissin tarkkuustakymetrissa havaitsema vaakatason kallistuma, 10,8 cc. Valmistajan omalla kalibrointiradalla virhettä ei havaittu, eikä sitä vuosien mittaan olleet huomanneet muutkaan asiakkaat tai tutkijat sen enempää Saksassa kuin muualla maailmalla. Tauno oli itsenäisissä laskelmissaan tullut tämän kaltaiseen tulokseen ja epäilykseen laitteiston systemaattisesta virheestä. Tilanne varmistettiin toistotesteillä Hervannan kentällä ja lisäksi Hannu meni tekemään havaintoja Otaniemeen TKK:n isoon ja tarkkaan kollimaattoriin. Kun tiesi mitä etsiä, niin sieltähän se samainen virhe löytyi myös kollimaattoritestissä. Ei tosin normaaleilla kollimaattorihavainnoilla vaan pitkän pohdinnan jälkeen keksityllä tavalla. Tämän jälkeen kädessä olikin vankkaa keskustelunaihetta Saksaan vietäväksi. Pari kolme päivää tuota asiaa Hannu piirteli ja selvitteli Zeissin tohtoreille ja epäilyjen jälkeen tohtorit joutuivat toteamaan valmistusvirheen sekä korjaamaan sen. Lopputulemana Zeissilla todettiin virheen olleen ainakin 10 vuotta kaikissa laitteissa.
Eivät myöskään tuolloin tarkkoina mittauslaitteina tunnetut merkit kuten Nikon ja Wild/Leica, selvinneet puhtain paperein testikentästä. Molemmista edellä mainituista löytyi muun muassa mitoitusvirheitä prismakannattimien korkeuksista, jotka eivät vastanneet takymetrin akselikorkeuksia ja tehtaat korjasivat nuo virheet tuotannossaan välittömästi.
Kuvassa Zeissin tohtori ja Tauno Suominen. Kuvan mittaukset liittyvät pakkastestehin, joita Zeiss teki kentällä yli 25 asteen pakkasissa ylläkuvatun virheen jo selvittyä.
Tampereen vanhan kentän jäätyä rakennusten alle Tampereella toteutettiin myös uudempi testikenttä 2000-luvun alussa, standardien mukaan. Sen pisteet sijaitsivat keskinäisesti varsin samoilla korkeuksilla ja pisteiden välinen etäisyys oli jo tuplasti suurempi, jolloin vanhan kentän hyödyt jäivät saavuttamatta. Lisäksi pisteiden päällä on kiinteä pilari, jolle mittauslaite sijoitettiin. Näin mittausjärjestelmän kokonaistarkkuus ei selviä, sillä normaalimittauksessa käytetyn jalustan ja pakkokeskistyslaitteiden vaikutus jää huomioimatta.
Kehitys ei aina vie suoraviivaisesti eteenpäin ja Taunon ja Hannun mielestä ennen valmistettiin tarkempia optisia mittauslaitteita. Ne olivat kalliita ja kaupallinen paine/koventunut kilpailu on heikentänyt laatua. Kalleimmat mittauslaitteet jätetään nykyisin myös valmistamatta kalliiden tuotantokustannusten vuoksi, vaikkei niitä ennenkään tehty kuin muutama kappale erikoismittauksiin. Siitä huolimatta niitä haluttiin valmistaa yksittäisten laitteiden tuotantokustannuksista piittaamatta, koska valmistajat halusivat pitää yllä kokonaistuotantoa.
Tämän hetken mittaustrendien mukaan halvoilla laitteilla pitää mitata vain paljon havaintoja, jolloin mittauksen keskiarvo on automaagisesti oikea. Matemaattisesti ajateltunahan asia on näin, keskiarvo tarkentuu, mutta mittauksissa on yksi määrätty vakio, joka ei ole suurten lukujen keskiarvo vaan tarkasti määritetty metri. Tästä syystä emme ole vielä nähneet tämän keskiarvotusteorian toteutuneen kertaakaan halvoilla laitteilla tarkkuusmittauksissa.
Yhtenä johtopäätöksenä tuosta noin 15 vuotta kestäneestä takymetrien testaustoiminnasta voidaan todeta, että mittauskalustolle pitäisi tehdä jatkuvasti kenttätestauksia. Tuotannossa tapahtuu vääjäämättömästi aina virheitä, ne ovat joko alihankkijoiden mitoitusvirheitä tai materiaalivirheitä, jotka vaikuttavat kenttämittauksessa mittausten lopputuloksiin merkittävästi, mutta eivät välttämättä tule esille sisällä vakio-olosuhteissa tehdyissä pelkän mittalaitteen testeissä.
TVH/Tielaitos hyödynsi testikentän tuloksia kilpailutuksissaan, sillä vain kentän läpäisseet laitteistot saivat osallistua kilpailutuksiin. Koska mittaustulokset ovat myös riippuvaisia mittaajista, niin aikoinaan keskusteltiin myös mittaajien testauttamisesta. Ymmärrettävästi ammattiyhdistysliikkeet eivät innostuneet ajatuksesta eli ihmisten asettamisesta paremmuusjärjestykseen. Kenttätestissä, jota Hervannan verkko edusti parhaimmillaan, testattiin kuitenkin käytännössä koko kalusto mittaajineen.
