Разработка методик анализа движений и деформаций по спутниковым наблюдениям в локальных геодезических сетях

Интенсивное внедрение современных спутниковых технологий в геодезическую деятельность на всех ее уровнях сегодня все в большей мере требует разработки новых и совершенствования существующих подходов к решению традиционных геодезических задач. Высокая точность и оперативность спутниковых геодезических методов позволяет получать несоизмеримо большие чем прежде объемы полезной информации, что заставляет прибегать к совершенствованию современных компьютерных технологий, технических средств и программного обеспечения. Сегодня требующим наиболее высокой точности и оперативности измерений является такое геодезические направление, как наблюдения за движениями и деформациями земной поверхности. Это научное и технологическое направление сегодня крайне актуально, во-первых, в связи с возрастанием числа природных и техногенных катастроф, что наблюдается во всем мире и, в частности, отмечается МЧС России, во-вторых, в связи с реализацией Концепции устойчивого развития нашего государства.

Одним из наиболее серьезных источников природных и техногенных катастроф является сейсмическая активность Земли. В наступившем столетии наблюдается явное усиление сейсмической активности. В подтверждение этого можно привести такие примеры, как сильнейшие землетрясения в регионе Зондских островов. С конца 2004 года по настоящее время там произошло три сильнейших и разрушительных землетрясения с магнитудами 8<М<9. Исторические аналоги такой совокупности сейсмических событий трудно отыскать. В текущем году произошли разрушительные землетрясения в Лиме (Перу, 16 августа 2007 г., М=7.9, более 500 погибших и более 1000 раненых жителей), в Индонезии (о-в Суматра, 17 сентября 2007 г., М>8, погибло более 20 человек). На Дальнем Востоке России наблюдается усиление сейсмической активности. Примером тому является землетрясение в Невельске (о-в Сахалин, М=6.0, две человеческих жертвы, значительные разрушения). Характер катастрофичности землетрясений по данным Национальной геофизической службы США показан в таблице.

Число человеческих жертв от землетрясений за последнее шестидесятилетие.

Десятилетия Число человеческих жертв.

1 1950;1960 9423.

2 1960;1970 49 948.

3 1970;1980 431 109.

4 1980;1990 54 232.

5 1990;2000 105 263.

6 2000;2007 436 417.

Исследование современных тектонических движений также необходимо при крупном промышленном и гражданском строительстве (города, порты, ГЭС, водохранилища), эксплуатации месторождений угля, нефти, газа, подземных водданные используются при разработке методов прогноза землетрясений, вулканических извержений и др.

С сожалением, следует отметить, что состояние геодезических сетей наблюдений за движениями и деформациями на территории России сегодня нельзя считать удовлетворительным. Заложенная в прошлом столетии достаточно обширная и качественная для тех лет основа в виде классических геодезических сетей (геодинамических полигонов) сегодня недостаточно эффективно поддерживается и развивается. Методы обработки, анализа и интерпретации измерительных данных также отстают от требуемого уровня. Существующие теоретические и методические основы также достаточно качественны, но обеспечивают главным образом анализ и интерпретацию классических геодезических наблюдений, таких как линейно-угловые измерения и нивелирование.

Рассмотренные выше обстоятельства послужили основанием к выбору темы настоящей диссертационной работы, направленной на совершенствование и развитие геодезических методов исследования движений и деформаций с учетом использования современных спутниковых и компьютерных технологий. Сегодня основными измерительными средствами построения контрольных геодезических сетей являются спутниковые радионавигационные системы (СРНС) ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США). В состоянии разработки находится Европейская система ГАЛИЛЕО. Разработаны сотни моделей высокоточных двухчастотных и двусистемных геодезических СРНС приемников. Имеются десятки комплексов прграммно-математического обеспечения обработки СРНС измерений. Несмотря на последние обстоятельства, разработанные измерительные и компьютерные средства не ориентированы на их достаточно эффективное использование с целью определения движений и деформаций. Поэтому перед автором диссертационной работы поставлена задача изучения современного состояния спутниковых методов деформационного анализа и областей их применения, выявления путей их совершенствования и разработки новых подходов и методик, обеспечивающих устранение выявленных слабых мест.

Следует отметить, что важнейшую роль в становлении и развитии исследований по избранной теме сыграли работы ведущих Российских ученых: Ю. Д. Буланже, М. Д. Герасименко, Т. В. Гусевой, В. В. Данилова, Н. П. Есикова, А. А. Изотова, В. И. Кафтана, Л. А. Кашина, Ю. В. Кемница, Ю. О. Кузьмина, В. А. Магницкого, Ю. И. Маркузе, С. И. Матвеева, Ю. А. Мещерякова, О. М. Остача, В. К. Панкрушина, А. К. Певнева, Л. П. Пеллинена, М. Т. Прилепина, К. Л. Проворова, Л. И. Серебряковой, В. А. Сидорова, С. К. Татевян, Ю. Е. Федосеева и других.

Диссертант опирается на накопленный обширный и полезный исторический опыт, теоретические основы анализа и интерпретации, разработанные уважаемыми предшественниками.

Исследования и разработки, представленные в диссертации выполнялись в рамках плана научно-методической работы Государственного университета землеустройства, планов НИР Центрального НИИ геодезии, аэросъемки и картографии. В процессе подготовки к исследованиям по теме диссертации, ее автором выполнялись работы по построению Государственной Высокоточной спутниковой геодезической сети (ВГС) в сейсмоактивных районах России в рамках Федеральной целевой программы по использованию глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах гражданских потребителей, утвержденной Постановлением Правительства Российской Федерации от 15 ноября 1997 г. № 1435. Это позволило приобрести опыт выполнения высокоточных СРНС измерений, их обработки и анализа.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены основные типы деформаций земной поверхности и современные геодезические методы их изучения. Проанализированы возможности современных средств анализа и интерпретации повторных геодезических измерений, выявлены недостатки и слабые места.

Вторая глава работы посвящена разработке методики применения результатов спутниковых геодезических измерений при анализе деформаций земной поверхности, составления компьютерной программы определения смещений и деформаций, апробирования методики и программы на реальных геодезических сетях.

В третьей главе сделана попытка выявления предвестников одного из сильнейших землетрясений текущего столетия по результатам обработки спутниковых геодезических измерений, проанализированы результаты использования разработанной методики, получены статистические обоснования гипотез о физических механизмах зарегистрированных смещений и деформаций.

Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в научнотехнических журналах и сборниках статей и докладов.

1. Докукин П. А. Оценка возможности регистрации предвестников удаленных землетрясений по GPS измерениям / Проблемы землеустройства и кадастров: Сборник научных статей ежегодной конференции молодых ученых и специалистов Государственного университета по землеустройству / Сост. Сутугина И. М. — М.: ГУЗ, 2005.-е. 105−114.

2. Докукин П. А., Кафтан В. И. Непрерывные GPS/TJIOHACC измерения коротких базовых линий с целью выявления предвестников сильных землетрясений // Геодезия и картография. — 2006 — № 2. — 7−10 с.

3. Докукин П. А. Определение временного центра пункта высокоточной геодезической сети GPS-измерениями // Землеустройство, кадастр и мониторинг. — 2006 — № 2, — с. 104−106.

4. Докукин П. А. Некоторые вопросы применения спутниковых геодезических измерений при изучении геологических процессов / Актуальные вопросы землепользования, землеустройства и кадастров: Сборник статей. — М.: МГИУ, 2007. — с. 84−89.

5. Батраков Ю. Г., Докукин П. А. Разрешение неоднозначности радиодальномеров и спутниковых приемников // Геодезия и картография. — 2006 — № 6. — 19−24 с.

6. Мельников А. Ю., Докукин П. А. Исследование спутниковых приемников фирмы Javad / Актуальные вопросы землепользования, землеустройства и кадастров: Сборник статей. — М.: МГИУ, 2007. — с. 205−211.

7. Кафтан В. И., Докукин П. А. Определение смещений и деформаций по данным спутниковых геодезических измерений // Геодезия и картография. — 2007 — № 9. — 18−22 с.

8. Докукин П. А., Докукина К. А. Мониторинг современных экзогенных геологических процессов с использованием геологических и геодезических методов на примере территории научно-учебной базы «Горное» (Зарайский район Московской области). Изменяющаяся геологическая среда: пространственные взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов: Материалы Международной конференции. Том 1: г. Казань- 13−16 ноября, 2007 г. / Сост. Н. Н. Равилова. — Казань: Изд-во Казанск. Гос. Ун-та, 2007. — 31−35 с.

Опробование результатов выполнено на научных конференциях и семинарах:

1. Сагитовские чтения 31 января — 1 февраля 2005 года, ГАИШ МГУ, Москва, 2005.

2. Конференция молодых ученых «Проблемы землеустройства и кадастров», ГУЗ, Москва, 20 апреля 2005.

3. Научный семинар геодезического отдела ЦНИИГАиК, Москва, 1 июня 2005 года.

4. Совещание-семинар по проблемам метрологического обеспечения топографо-геодезического и картографического производства Роскартографии, ЦНИИГАиК, Москва, 28 ноября — 1 декабря 2005 года.

5. Конференция молодых ученых и специалистов «Всероссийская школа молодых ученых, посвященная современным проблемам землепользования, землеустройства и кадастров», ГУЗ, Москва, 29 ноября 2006 года.

6. Международная геологическая конференция «Изменяющаяся геологическая среда», Казанский государственный университет, Казань, 13−16 ноября 2007 г.

7. Сагитовские чтение 4−5 февраля 2008 года, ГАИШ МГУ, Москва.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В процессе работы по теме диссертации автором выполнены исследования и разработаны методики, обеспечивающие усовершенствование существующих подходов к анализу деформаций с использованием современных геодезических методов, получены новые эмпирические характеристики, способствующие более ясному объяснению возможных причин наблюдаемых деформаций земной поверхности.

Изучены и проанализированы современные тенденции геодезических исследований движений и деформаций земной поверхности, а также современные научные представления о геодеформационых процессах по данным геотектонических и геофизических исследований. Анализ слабых мест современных подходов позволил определить генеральное направление исследований и разработок: совершенствование методов определения движений и деформаций на основе использования интенсивно развивающихся высокоточных и наиболее оперативных СРНС измерений. Основное внимание уделено разработке новых и усовершенствованию существующих методик математической обработки временных разностей спутниковых геодезических измерений в локальных фрагментах сетей постоянно действующих СРНС пунктов в составе ФАГС России, а также международных глобальных геодезических сетей.

В процессе работы над диссертацией изучены, освоены и использованы в исследованиях и разработках современные методы матричного анализа, корреляционного и регрессионного анализа, статистической проверки гипотез, наименьших квадратов (расширенного на зависимые измерения), математического моделирования современные компьютерные средства обработки и графического представления данных, программное обеспечение обработки спутниковых геодезических измерений: GPSurvey, Trimble Geomatic Office, Pinnacle, Bernese 4.2, MATLAB 6.5, Microsoft Office и др.

— современные спутниковые измерительные средства фирм производителей геодезической аппаратуры: Trimble Navigation, TPS, JNS, ЭОМЗ Роскартографии и др.

— современные методы спутниковых измерений в геодезических сетях ФАГС, ВГСиСГС-1.

В результате работ по теме диссертации автором получены оригинальные научно-технологические результаты: методики обработки и анализа результатов спутниковых геодезических измерений, их обоснование, оценки точности и эффективности, характеристики движений и деформаций, а также их изменений во времени в различных регионах мира в связи с сильнейшими сейсмическими событиями.

Актуальность результатов исследований и разработок связана с необходимостью повышения безопасности жизнедеятельности и экономического развития общества в условиях возрастания числа природных и техногенных катастроф, а также совершенствования эффективности и точности методов и средств геодезических измерений.

Практическая ценность выполненных исследований и разработок заключается в обеспечении повышения точности и эффективности использования непрерывных спутниковых геодезических измерений, а также в совершенствовании методической основы выполнения геодезических работ на геодинамических полигонах Роскартографии.

Достоверность полученных результатов обеспечивается процедурами контроля вычислений в алгоритме разработанного программного обеспечения по разным формулам, с использованием леммы Гаусса, использованием статистических характеристик точности и эффективности многократных геодезических измерений, а также опубликованием в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых Высшей Аттестационной Комиссией Российской.

Федерации, и публичным обсуждением на научных и научно-технических конференциях и семинарах.

К защите представляются следующие результаты работ.

• Методика определения векторов смещений пунктов земной поверхности по данным многократных спутниковых (СРНС) измерений.

• Методика определения деформаций земной поверхности на основе определяемых векторов смещений.

• Алгоритм программы вычисления векторов смещений и деформаций земной поверхности.

• Предложения по применению коротких базовых линий и геодезических четырехугольников СРНС измерений для контроля движений и деформаций.

• Результаты определения деформаций земной поверхности и их изменений во времени в различных регионах Земли.

• Статистическое обоснование физической природы наблюдаемых изменений и гипотезы о первичности горизонтальных деформаций для рассмотренных случаев.

• Статистическое обоснование возможности регистрации предвестников сильных землетрясений по СРНС наблюдениям.