洞窟調査

洞窟調査とは、洞窟システムの全体または一部の地図であり、洞窟の状態や地下で利用できる設備に応じて、さまざまな精度基準を満たすように作成されることがあります。洞窟調査と地図作成、つまり正確で詳細な地図の作成は、洞窟内で行われる最も一般的な技術的活動の 1 つであり、洞窟学の基本的な部分です。調査は、洞窟を長さ、深さ、容積で比較するために使用でき、洞窟形成の手がかりを明らかにし、他の科学的研究分野の空間参照を提供し、訪問者がルートを見つけるのに役立ちます。

従来、洞窟調査は印刷の制約のため 2 次元形式で作成されていましたが、洞窟内の 3 次元環境を考慮して、洞窟システムをよりリアルに表現するために、コンピューター支援設計を使用する最新の技術がますます使用されるようになっています。

洞窟の図面が最初に描かれたのは1546年で、イタリアのナポリ近郊のポッツオーリにある、石灰華の中に作られた人工の洞窟「ネロのオーブン」の図面である。地図に描かれた最初の自然洞窟はドイツのバウマンシェーレで、1656年のスケッチが残っている。^[1]

もう一つの初期の測量は 1680 年より前にさかのぼり、チェダー渓谷のロング ホールのジョン オーブリーが行ったものです。これは洞窟の立面図で構成されています。その後も数多くの洞窟の測量が行われましたが、そのほとんどはスケッチであり、精度に限界があります。機器を使用して正確に測量された可能性が高い最初の洞窟は、フランスのミルモン洞窟です。これは 1765 年に土木技師によって測量され、多数の断面図が含まれています。エドゥアール アルフレッド マルテルは、測量技術について初めて説明した人物です。彼の測量は、助手に通路を歩いてもらい、ほとんど見えなくなるまで行わせるという方法で行われました。次にマルテルは助手の明かりをコンパスで方位を測り、助手まで歩いて距離を測りました。これは現代の BCRA グレード 2 の測量に相当します。

コンピューターで中心線が計算された最初の洞窟はアイルランドのファーガス川洞窟で、1964年にUBSSのメンバーによってプロットされました。ソフトウェアは大学の大型メインフレームコンピューターにプログラムされ、紙のプロットが作成されました。^[2]

測量方法にはさまざまなバリエーションがありますが、そのほとんどは、250 年間根本的に変わっていない類似の一連の手順に基づいています。ただし、機器 (コンパスとテープ) は小型化され、精度も向上しています。1990 年代後半から、ディストメーターなどのデジタル機器によってプロセスが変わり始め、2007 年頃には完全にペーパーレスの測量が実現しました。以下に詳述する通常の方法の主なバリエーションは、一連のリンクされたステーションではなくポイント クラウドを生成する LIDAR や SONAR 測量機などのデバイスです。ビデオ ベースの測量もプロトタイプの形で存在します。

調査チームは固定地点 (洞窟の入り口など) から調査を開始し、ステーション間の一連の連続した視線測定を行います。ステーションは、洞窟の通路に沿ってアクセスしやすく、見通しがよいことを主な理由として選ばれた、一時的に固定された場所です。場合によっては、調査ステーションに恒久的なマークを付けて、後日再び戻るための固定参照ポイントを作成することもあります。

ステーション間で行われた測定には次のものが含まれます。

• コンパスで測った方向（方位角または方位）
• 傾斜計で測定した水平からの傾斜（傾斜角）
• 低伸縮テープまたはレーザー距離計で測定された距離
• オプションで、周囲の壁までの距離（左、右、上、下）（LRUD）

直線データの記録と同時に、通路の寸法、形状、高低差の緩やかな変化または急激な変化、静水または流水の有無、注目すべき特徴の位置、床面の材質などの詳細が、多くの場合スケッチ マップを使用して記録されます。

2000年代、スイスの洞窟探検家バート・ヒーブは市販のレーザー距離計を改造して傾斜と方向のセンサーを追加し、DistoX2を製作した。これは、1回のレーザー「ショット」ですべての調査パラメータを記録できるため、「ペーパーレス調査」用の非常に人気のある機器となった。その後、CaveSniper、Shetland Attack Pony (SAP)、BRICなど、他の多くのプロジェクトが続いた。^[3]

その後、地図製作者は記録されたデータを分析し、幾何学的計算によって 2 次元の測定値に変換します。そこから、洞窟を通る経路の縮尺された幾何学的表現 である線図を作成します。

次に、地図製作者は、その時点で記録された通路の寸法、水の流れ、床/壁の地形などの追加データを使用して、線図の周囲に詳細を描き、洞窟調査を完了します。紙に描かれた洞窟調査は、2 次元の平面図や側面図で示されることが多く、コンピューター調査では 3 次元をシミュレートする場合があります。主に機能的に設計されていますが、洞窟探検家の中には、洞窟調査を芸術形式と考える人もいます。[^{誰が? ]}

ハイドロレベリングは、クリノメーターとテープで深さを測定する方法の代替手段であり、ロシアで長い歴史を持っています。^[4]この技術は、床を水平にする場合など、同じ高さの2点を見つけるために、建築現場でよく使用されています。最も単純なケースでは、両端が開いているチューブを木の細片に取り付け、チューブに水を満たして、両端の深さをマークします。ロシアでは、ハイドロレベリングによる洞窟の深さの測定は1970年代に始まり、当時の扱いにくい機器を使用する難しさにもかかわらず、深さを測定する最も正確な方法であると考えられていました。この方法への関心は、コーカサスのアラビカ山塊で 現在世界で2番目に深い洞窟である ヴォロニャ洞窟が発見されたことで再燃しました。

最近のヴォロニャ探検で使用されたハイドロレベル装置は、水で満たされた 50 メートル (160 フィート) の透明なチューブで構成され、コイル状またはリール上に設置されています。チューブの一方の端には、リザーバーとして機能するゴム手袋が置かれ、もう一方の端には透明な窓が付いた金属製の箱が置かれています。深度計機能を備えたダイバーのデジタル腕時計が箱の中に沈められます。ゴム手袋を一方のステーションに置き、深度計の入った箱を低いステーションに置くと、2 つのポイント間の静水圧は、高度の差と水の密度のみに依存します。つまり、チューブのルートによって箱内の圧力が左右されることはありません。深度計を読み取ると、高いステーションと低いステーション間の見かけの深度の変化がわかります。深度の変化が「見かけ」なのは、深度計が海水用に校正されており、ハイドロレベルが真水で満たされているためです。したがって、見かけの深度の変化を真の深度の変化に変換するための係数を決定する必要があります。連続する2つの観測所の測定値を合計すると、洞窟の総深度が分かります。^[4]

洞窟調査の精度、つまり等級は、測定方法によって異なります。一般的な調査等級付けシステムは、 1960年代に英国洞窟研究協会によって作成されたもので、6段階のスケールを使用しています。^[5]

グレード1

測定が行われていない低精度のスケッチ

グレード2（必要な場合にのみ使用、注7を参照）

必要に応じて、グレード1と3の中間の精度のスケッチを説明するために使用できます。

グレード3

大まかな磁気調査。水平および垂直角度は ±2.5 ° まで測定され、距離は ±50 cm まで測定され、ステーションの位置誤差は 50 cm 未満です。

グレード4（必要な場合にのみ使用、注記7を参照）

必要に応じて、グレード 5 のすべての要件を満たしていないが、グレード 3 の調査よりも正確な調査を説明するために使用できます。

5年生

磁気調査。水平角と垂直角は ±1 ° で測定されます。距離は最も近いセンチメートル単位で観測および記録され、ステーションの位置は 10 cm 未満で識別されます。

6年生

グレード 5 よりも精度の高い磁気調査 (注 5 を参照)。

グレードX

コンパスの代わりに、主にセオドライトまたはトータルステーションの使用に基づく測量(以下の注 6 および 10 を参照)。

1. 上記の表は概要であり、一部の技術的な詳細と定義は省略されています。上記の調査等級の定義は、これらの注記と併せて読む必要があります。
2. いずれの場合も、定義の文面だけでなくその精神に従う必要があります。
3. グレード 3 を達成するには、かなりの傾斜がある通路でクリノメーターを使用する必要があります。
4. グレード 5 を取得するには、機器が適切に校正されていることが不可欠であり、すべての測定は、調査ステーションを中心とした直径 10 cm の球内の点から行う必要があります。
5. グレード 6 の測量では、コンパスを可能な限りの精度、つまり ±0.5 ° の精度で使用する必要があります。傾斜計の読み取り値も同じ精度である必要があります。ステーションの位置誤差は ±2.5 cm 未満である必要があり、そのためにはすべてのステーションで三脚を使用するか、その他の固定ステーション マーカー (「ルーフフック」) を使用する必要があります。
6. グレード X の調査では、図面メモに、使用した機器と技術の説明、およびグレード 3、5、または 6 の調査と比較した調査の推定精度の見積もりを含める必要があります。
7. グレード 2 および 4 は、調査のある段階で、物理的条件により調査が次の上位グレードのすべての要件を達成できず、再調査が現実的でない場合にのみ使用されます。
8. 洞窟探検団体等は、表 1 および表 2 を自らの出版物に転載することが奨励されています。そのためには BCRA の許可は必要ありませんが、これらの注記なしに表を再印刷することはできません。
9. グレード X は、グレード 6 よりも精度が高くなる可能性があります。セオドライト/トータル ステーションは複雑な精密機器であり、使用中に重大なエラーが発生しないようにするには、かなりのトレーニングと定期的な練習が必要であることを決して忘れてはなりません。
10. 作成時には、測量座標を計算し、尺定規と分度器を使用して手描きしないことでグレード 5 を取得できます。

クラスA

すべての文章の詳細は記憶に基づいています。

クラスB

洞窟内で推定され記録された通路の詳細。

クラスC

詳細な測定は調査ステーションでのみ行われます。

クラスD

調査ステーションや通路寸法の大幅な変化を示す必要があるその他の場所で行われた詳細な測定。

1. 詳細の精度は、線の精度と同様である必要があります。
2. 通常、次の調査グレードの組み合わせのうち 1 つのみを使用する必要があります。
   • 1A
   • 3Bまたは3C
   • 5C または 5D
   • 6D
   • XA、XB、XC、またはXD

洞窟調査に使用する機器は改良され続けています。コンピューター、慣性システム、電子距離計の使用が提案されていますが、現時点では実用的な地下アプリケーションはほとんど開発されていません。

こうした進歩にもかかわらず、機器の欠陥、不正確な測定、記録エラー、その他の要因により、依然として不正確な調査が行われる可能性があり、こうしたエラーは検出が難しい場合が多いです。洞窟調査員の中には、各ステーションを 2 回測定し、前のステーションの逆方向のバックサイトを記録している人もいます。バックサイト コンパスの読み取り値が 180 度異なり、傾斜計の読み取り値が同じ値で方向が逆 (たとえば、負ではなく正) である場合、元の測定は正確であったことを示します。

洞窟内のループをその開始点まで遡って調査すると、結果のライン プロットも閉じたループを形成するはずです。最初のステーションと最後のステーションの間のギャップは、ループ クローズ エラーと呼ばれます。単一のエラーが明らかでない場合は、ループ クローズ エラーは累積的な不正確さによるものと想定でき、洞窟調査ソフトウェアは、ループ ステーション全体で起こり得るエラーを平均化することで「ループを閉じる」ことができます。調査精度をテストするためのループは、同じ洞窟の複数の入口間の表面を調査することによっても作成できます。

低周波洞窟無線を使用すると、調査の精度も確認できます。地上の受信ユニットは、電波の幾何学的形状を測定することで、洞窟の通路にある送信機の深さと位置を正確に特定できます。受信機から洞窟の入り口まで地上を調査すると、地下の調査と人工ループが形成され、そのループ閉鎖誤差を判定できます。

かつて、洞窟探検家は調査の誤りが見つかった後、複雑な洞窟地図を描き直すことを躊躇していました。今日では、コンピュータ地図作成により、データが修正された後、洞窟地図を自動的に描き直すことができます。

さまざまなコンピュータ プラットフォームで利用できる測量パッケージが多数ありますが、そのほとんどはコンピュータ プログラミングの基礎を持つ洞窟探検家によって開発されています。パッケージの多くは特定のタスクで特に優れたパフォーマンスを発揮するため、多くの洞窟探検家はすべての地図作成タスクで 1 つの製品を他の製品よりも優先して選択することはありません。

中心線調査を作成するための一般的なプログラムはSurvexです。これはもともと、ケンブリッジ大学洞窟探検クラブのメンバーがオーストリアへのクラブ遠征の調査データを処理するために開発されました。1992 年に一般に公開されました。中心線データはさまざまな形式でエクスポートでき、AutoCAD、Adobe Illustrator、Inkscapeなどのさまざまなプログラムを使用して洞窟の詳細を描画できます。「Tunnel」やTherionなどの他のプログラムには、完全な中心線と地図の編集機能があります。Therion は、調査ループを閉じるときに、その長さに合わせて通路をワープするため、通路全体を再描画する必要はありません。Therion の 2D ワープ機能とは異なり、CaveWhere は通路を 3D でワープします。これには、平面図とプロファイル スケッチのワープが含まれます。CaveWhere はループの閉鎖 (Survex を使用) もサポートしており、洞窟調査データの入力と視覚化のためのユーザー フレンドリなインターフェイスを提供します。^[6]

地上 LiDAR ユニットの精度は大幅に向上し、価格も下がっています。^[要出典] いくつかの洞窟は、「飛行時間」と「位相シフト」の両方の LiDAR ユニットを使用して「スキャン」されています。違いは、それぞれに利用できる相対的な精度にあります。オレゴン洞窟国立公園は、2011 年 8 月に LiDAR スキャンされ、オレゴン州南東部のペイズリー洞窟考古学発掘現場も同様でした。^[要出典] どちらも、+/-2mm の精度で FARO Focus 位相シフト スキャナーを使用してスキャンされました。オレゴン洞窟は、メインの公共入口から 110 出口までスキャンされ、開始点までループ調査されました。データはまだ一般公開されていませんが、コピーはオレゴン州ポートランドの米国公園局と i-TEN Associates の両方によって保管されています。^[要出典]

近年、HORTAと呼ばれる地下地理測位技術が鉱業で利用されています。慣性航法システム技術は、ジャイロスコープと加速度計を利用して3D位置の決定を支援します。 ^[7]

このような自動化された方法により、地下調査の生産性が50倍以上向上し、より正確で詳細な地図も作成できるようになりました。^[7]

• 洞窟ダイビング – 水が満たされた洞窟でのダイビング
• 洞窟探検 – 洞窟を探検する娯楽
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• レーザースキャンの歴史: ペイズリー洞窟
• コンパスポイント、BCRA洞窟調査グループの公式ジャーナル
• CaveMaps.org 調査、イギリスの洞窟の調査のコレクション