УДК 528.02/.08: 551.2/.3

На правах рукописи

Тюшевский Евгений Юрьевич

ТЕХНОЛОГИЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

ПРИ ОЦЕНКЕ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

В ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ

(НА ПРИМЕРЕ СЕВЕРОМУЙСКОГО ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО ПОЛИГОНА)

25.00.32 – «Геодезия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск – 2009

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Информация о динамике земной поверхности природного и техногенного характера была и остается важнейшей в аспекте прогнозирования её негативных последствий Проявления неустойчивости земной поверхности в результате землетрясения, извержения вулканов, проседания грунта в районе выработки полезных ископаемых и других природных и техногенных воздействий вызывают вертикальные и горизонтальные сдвиги, разломообразование, провалы. При этом страдают инженерные сооружения и здания, наносится громадный экономический ущерб, возможны невосполнимые человеческие потери. Эти обстоятельства (происшествия) со всей очевидностью демонстрируют необходимость изучения деформаций земной поверхности повторными геодезическими методами, результаты которых в комплексе с геолого-геофизическими данными призваны оценить степень сейсмической опасности.

В связи с этим актуальной задачей является совершенствование геодезических методов, являющихся приоритетными в оценке деформаций земной поверхности, так как они позволяют эффективно выполнять мониторинг ее состояния с обеспечением высокой точности геодезических измерений в разных физико-географических условиях.

Степень разработанности проблемы. Геодезия как наука в приложении к изучению геодинамических процессов была востребована всегда, и в настоящее время активно и успешно развивается в этом направлении. Весомый вклад в решение задач изучения геодинамических процессов по геодезическим и гравиметрическим данным внесли ученые: Бровар В.В., Бузук В.В., Буланже Ю.Д., Васильев Е.А., Вовк И.Г., Герасименко М Д., Герасимов И.П., Гольдин С.В., Гуляев Ю.П., Еремеев В.Ф., Демьянов Г.В., Есиков Н П., Каленицкий А.И., Канушин В.Ф., Каратаев Г.И., Кафтан В.И., Колмогоров В.Г., Колмогорова П.П., Кузьмин Ю.О., Курленя М.В., Изотов А.А., Леонтьев А.В., Мазуров Б.Т., Мазурова Е.М., Машимов М.М., Мещеряков Ю.А., Молоденский М.С., Опарин В.Н., Панкрушин В.К., Пеллинен Л.П., Серебрякова Л.И., Сидоров В.А., Страхов В.Н., Татевян С.К., Тимофеев В.Ю., Фотиади Э.Э., Юркина М.И. и др.

Целью исследований являлось обоснование методики проведения высокоточных геодезических работ и обработки их результатов, технологии производства и интерпретации результатов рационального комплекса геодезических измерений при изучении геодинамических процессов в сейсмоактивных районах Восточной Сибири.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

изучение особенностей физико-геологических условий сейсмоактивных районов Восточной Сибири;

усовершенствование методики высокоточного нивелирования с учетом применения электронных нивелиров;

обоснование методики проведения спутниковых координатных определений и автоматизированной обработки результатов;

отработка технологии организации и проведения высокоточных геодезических работ в сейсмоактивных районах Восточной Сибири;

апробация методики и технологии проведения высокоточных режимных геодезических работ, обработки и интерпретации их результатов на примере Северомуйского геодинамического полигона.

Объектом исследований являлись геодинамические процессы сейсмоактивных районов Восточной Сибири.

Предметом исследований являлись измерительный комплекс высокоточных геодезических методов и технология их проведения для изучения геодинамических процессов, включая количественную оценку параметров деформаций земной поверхности.

Методологическая и теоретическая основа исследований базировалась на системно-структурном подходе и системном анализе, теории математической обработки и интерпретации результатов геодезических наблюдений, теории упругости, теории фигуры Земли, теории вероятностей и методе наименьших квадратов.

Фактический материал и методы исследования. Использовались результаты геодезических измерений. Для решения поставленных в диссертации задач и проведения вычислительных экспериментов применялись современные вычислительные средства и программное обеспечение, методы статистики и теории погрешностей.

При выполнении поискового этапа исследований использовались материалы геодезических наблюдений, в которых автор диссертации принимал непосредственное участие, в том числе:

на Северомуйском геодинамическом полигоне (ГДП) по созданию высокоточной геодезической сети ВГС и СГС-1 в рамках Федеральной программы «Глобальная навигационная система» на участке Северобайкальск – Шиверы (2007, 2008 гг.);

по линии высокоточного нивелирования 1-го класса Усть-Кут – Новый – Уоян, на участке Дабан – Холодная – Новый – Уоян 2005–2006 гг. (полевые работы Восточно-Сибирского аэрогеодезического предприятия).

Информационная база исследования. Использованы данные из опубликованных научных работ: монографий, статей, в том числе в отраслевом журнале «Геодезия и картография», материалов научного конгресса «ГЕО-Сибирь», научно-технических конференций СГГА; фондовые материалы (научно-технические и технические отчеты, интернет-источники).

Научные положения, выносимые на защиту 1. Предлагаемая усовершенствованная методика выполнения высокоточного нивелирования с использованием электронных нивелиров в различных физико-географических условиях при изучении динамики земной поверхности обеспечивает по сравнению с ранее достигнутым уровнем значительный экономический эффект и достижение необходимой точности измерений.

2. Реализованная методика создания геодинамической сети пунктов спутниковых координатных определений и проведения на них геодезических наблюдений позволят достичь требуемой точности измерений с более высокой производительностью труда по сравнению с применяемыми ранее традиционными высокоточными геодезическими измерениями. Вместе с тем, её апробация в разных условиях Восточной Сибири выявила необходимость проведения дальнейших исследований с целью обоснования более высокой надежности учета природных факторов, в том числе изменения внешних условий и технических особенностей аппаратуры в производстве координатных определений на пунктах геодинамических полигонов.

3. Предлагаемая технологическая схема проведения комплексных высокоточных геодезических наблюдений на пунктах геодинамической сети обеспечивает повышение информативности получаемых геодезических параметров, характеризующих состояние земной поверхности, и устойчивость природнотехнических систем в сейсмоактивных районах Восточной Сибири, а также возможность оперативного регулирования процесса режимных наблюдений для своевременного прогнозирования негативных последствий подвижек поверхности Земли.

Научная новизна исследований состоит в получении новых знаний в области мониторинга деформаций земной поверхности в сейсмоактивных районах Восточной Сибири с использованием современных методов геодезических измерений.

Теоретическая значимость работы заключается в усовершенствовании методики и обосновании рациональной технологии проведения комплекса геодезических измерений на геодинамических полигонах.

Практическая значимость работы: впервые реализован рациональный комплекс геодезического мониторинга геодинамики на Северомуйском геодинамическом полигоне, обеспечивший повышение производительности труда с достижением требуемых точностных показателей измерений.

Апробация результатов исследования и публикации. Основные результаты исследований докладывались на 2-й региональной научно-практической конференции ИрГТУ (г. Иркутск, 2006 г.), Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2007» (г. Новосибирск, 2007 г.), региональной конференции в ИрГТУ (г. Иркутск, 2006, 2007 гг.). По теме диссертации опубликовано четыре статьи, в том числе одна в реферируемом издании, входящем в Перечень изданий, определенных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и списка используемых источников из 56 наименований. Общий объем работы составляет 124 страницы, включает 15 рисунков, 8 таблиц, 2 приложения.

Автор считает своим долгом выразить признательность заведующему геодезическим отделом ЦНИИГАиК, доктору технических наук Демьянову Глебу Викторовичу и молодым ученым-аспирантам ЦНИИГАиК Серьмягину Роману Александровичу и Насретдинову Ильдару Фатиховичу за понимание и содействие в процессе проведения совместных экспериментальных работ.

Глубокую признательность и благодарность автор выражает генеральному директору ФГУП «ВостСибАГП» Мазурову Сергею Федоровичу, директору Иркутского филиала ФГУП «ВостСибАГП» «ИТГП» Егорову Сергею Викторовичу и доктору технических наук, профессору Пластинину Леониду Александровичу за содействие и поддержку в процессе работы над диссертацией, а также сотруднику Иркутского института земной коры, кандидату геолого-минералогических наук Санькову Владимиру Анатольевичу за помощь в подборе информационных материалов.

Особую признательность за полученные полезные советы и консультации при написании диссертации автор выражает научному руководителю – доктору технических наук, профессору Каленицкому Анатолию Ивановичу.

Основное содержание работы

Краткое описание содержания диссертации Во введении отражена актуальность проблемы изучения геодинамических процессов, показана степень её разработанности, обоснованы цель и задачи, объект и предмет исследований, научная и практическая значимость, приведены основные результаты реализации поставленных в диссертационной работе задач, а также научные положения, выносимые на защиту.

Первый раздел «Анализ состояния применения высокоточного нивелирования и геодезических методов координатных определений при изучении геодинамических процессов» посвящен анализу изучения динамики земной поверхности традиционными и современными геодезическими методами. Определены основные направления диссертационных исследований и пути их реализации.

Во втором разделе «Совершенствование методики высокоточного нивелирования с учетом применения электронных приборов» дана теория метода повторного высокоточного нивелирования при планировании и развитии опорной высотной сети реперов для ведения режимных наблюдений при изучении динамики земной поверхности на геодинамических полигонах. Рассмотрены преимущества использования электронных нивелиров с обоснованием выбора аппаратуры, наиболее приемлемой по техническим параметрам. При этом предложен усовершенствованный (апробированный) автоматизированный метод выполнения высокоточного нивелирования с использованием электронного нивелира Dini12 фирмы Trimble. Представлен общий порядок обработки и уравнивания результатов высокоточного нивелирования в классическом представлении и рассмотрены преимущества предлагаемого автоматизированного метода обработки с помощью программного продукта «CREDO-НИВЕЛИР».

В третьем разделе «Обоснование методики проведения и обработки результатов спутниковых координатных определений» с учетом развитости спутниковых технологий и широкими возможностями (преимуществами) спутникового оборудования приведены характерные особенности метода планирования и производства спутниковых измерений для целей изучения динамики земной поверхности.

Предлагаются надежные типы центров, которые можно одновременно использовать для высокоточных спутниковых, нивелирных и гравиметрических измерений.

Представлены основные технические требования, предъявляемые к спутниковому оборудованию (состав, комплектность и технические характеристики), используемому для измерений на пунктах геодинамической сети.

Изложена последовательность этапов выполнения обработки и уравнивания результатов спутниковых измерений.

В четвертом разделе «Методика интерпретации комплекса повторных результатов геодезических измерений» представлены основные принципы интерпретации результатов режимных геодезических измерений при определении как вертикальных, так и горизонтальных движений земной коры.

В пятом разделе «Технология проведения высокоточных режимных геодезических работ в сейсмоактивных районах Восточной Сибири» с учетом методических проработок, изложенных во втором, четвертом разделах диссертации, представлена технологическая схема основных процессов производства, выполняемых при высокоточных режимных геодезических измерениях, обработке, уравнивании и интерпретации их результатов.

В шестом разделе «Результаты изучения геодинамических процессов на Северомуйском (Северобайкальском) геодинамическом полигоне» представлен совместный анализ результатов многолетнего изучения динамики земной поверхности в Северо-восточной части Байкальской рифтовой зоны (БPЗ) в целом и по итогам 1–3-го циклов комплексных геодезических высокоточных измерений на территории Северомуйского ГДП, являющегося составной частью регионального Северобайкальского ГДП.

В заключении подведены основные итоги диссертационных исследований, сделаны выводы и даны практические рекомендации.

Защищаемые научные положения 1. Предлагаемая усовершенствованная методика выполнения высокоточного нивелирования с использованием электронных нивелиров в связи с его востребованием в различных физико-географических условиях при изучении динамики земной поверхности обеспечивает, по сравнению с ранее достигнутым уровнем, значительный экономический эффект и достижение необходимой точности измерений.

С развитием геодезического цифрового оборудования, в частности современных электронных нивелиров, появилась возможность усовершенствования существующей методики производства высокоточного нивелирования, что обеспечивает возможность снижения трудозатрат, увеличения производительности труда на 20–30 %.

Главной особенностью данных инструментов является возможность автоматического снятия отсчета по специальной рейке с нанесенным штрих-кодом, который не повторяется по всей ее длине, и таким образом – определения высоты от пятки рейки до места наведения горизонтальной нити трубы нивелира.

Электронный нивелир снабжен процессором, позволяющим выполнять вычисления превышений и отметок, жидкокристаллическим дисплеем для вывода результатов на экран, а также внутренней памятью для записи данных в цифровом виде. Поскольку нивелир считывает и записывает данные в цифровой форме, то ошибки наблюдателя исключаются. Это снижает затраты труда и обеспечивает целостность результатов, сохраняемых в электронном виде. Также следует отметить, что возможность электронного измерения позволяет контролировать расстояние до передней и задней реек и соблюдать при этом равенство плеч в нивелирных ходах.

Не отрицая существующую методику высокоточного нивелирования, предлагается модифицировать её с некоторым сокращением процедур при использовании цифрового нивелира Dini12 фирмы Trimble. Проиллюстрируем это на примере нивелирной линии I класса Усть-Кут – Кичера – Новый – Уоян (она проложена по территории исследуемого объекта вдоль БАМа). Работы производились силами «ВостСибАГП» под методическим руководством ЦНИИГАиК.

Автор диссертации участвовал в работах в качестве исполнителя-наблюдателя.

Необходимо отметить, что модернизированная методика наблюдений была максимально приближена к требованиям действующей Инструкции по нивелированию I, II, III и IV классов, особенно в части нормативных требований к точностным показателям.

При нивелировании использовалась односторонняя инварная штрих-кодовая рейка длиной 3 м. При этом превышение измерялось несколько раз по одним и тем же штрихам, что согласно Инструкции обычно недопустимо даже при повторной установке пузырька уровня или компенсатора нивелира. Но так как электронный способ взятия отсчета по рейке не содержит субъективных ошибок, которые в большей или меньшей степени имеют место у любого наблюдателя при взятии отчета оптическим микрометром, то допускалось многократное взятие отсчетов по штрих-кодовой рейке при одном горизонте прибора.

При этом особо учитывалось, что цифровой нивелир имеет очень высокие точностные характеристики. На это указывает значение средней квадратической ошибки на 1 км двойного хода, которая при электронном измерении с применением инварной прецизионной штрих-кодовой рейки составляет 0,3 мм.

Данная (альтернативная) программа, представленная в таблице 1, предусматривает измерения по одной линии в прямом ходе при двух горизонтах прибора в следующей последовательности: ЗПП'З' (нечетная станция) и ПЗЗ'П' (четная). Изменять горизонт необходимо подъемными винтами нивелира. При этом повторное перемещение штатива исключается.

Таблица 1 – Порядок снятия отсчетов на станции альтернативным методом Приведение пузырька устано- Приведение пузырька установочного уровня на середину вочного уровня на середину Изменение горизонта прибора и Изменение горизонта прибора и повторное приведение пузырька повторное приведение пузырька Исследования ЦНИИГАиК показали, что при длине плеч не более 40 м парная нивелировка (в двух ходах) не имеет преимущества по сравнению с одинарной. Для повышения надежности результатов измерений при этом рекомендуется выполнение установки (в параметрах) прибора на взятие двух отсчетов по рейке при каждом наведении.

В остальном методика нивелирования I класса строго соблюдалась в соответствии с Инструкцией.

Следует отметить, что при производстве нивелирования I класса с применением нивелира Dini12 для автоматического контроля параметров измерений в ходах нивелирования перед началом работ необходимо выполнить ввод постоянных допусков инструмента в установочном меню (таблица 2).

В случае несоблюдения установленных допусков инструмент информирует в виде сообщения на дисплее о превышении установленного допуска (если, например, высота визирования превышает установленное допустимое значение), при этом наблюдения на станции повторяются. Известно, что число источников погрешностей высокоточного нивелирования велико, их происхождение разнообразно; одни погрешности носят случайный характер, другие – систематический. Часть погрешностей вызвана конструктивными особенностями инструментов, другая – влиянием внешних условий. Цифровые нивелиры в этом отношении не исключение. Однако, следует отметить, что ряд существенных источников ошибок при использовании цифрового нивелира исключаются.

Таблица 2 – Постоянные значения допусков инструмента Max. Distan. Максимальная длина плеча при особо благоприятных 50 Min. Sight Минимальная высота линии визирования для плеч менее 0,4 0, Max. Diff. Максимальное расхождение превышения на станции, мм 0,6 0, Diff. distan. Back Неравенство плеч до задней и передней реек 0,5 1, and Fore Допустимое расхождение между превышениями прямо- 1,0 L 2,0 L hF-hB Во-первых, как уже отмечалось, исключается ошибка взятия отсчета, так как считывание выполняется электронным способом. Во-вторых, с применением односторонней штрих-кодовой рейки уменьшается количество взятых отсчетов и соответственно уменьшается количество перемещений наблюдателя вокруг штатива. По сравнению с классическим методом, в предложенном методе влияние указанных двух факторов уменьшается на несколько порядков, так как цифровые нивелиры имеют погрешность отсчитывания по рейке порядка 0,01–0,02 мм, причем интервал между взятиями отсчетов составляет 2–3 секунды. Подобное исследование применительно к цифровым нивелирам приведено в работе Е.Л. Шалыгиной (Влияние перемещения штатива и изменения угла i на результаты высокоточного нивелирования цифровыми нивелирами //Геодезия и картография. – 2005. – № 6. – С. 15–16). И, в-третьих, обеспечивается снижение погрешности определения превышений на станции в связи с наличием хорошего стабильного компенсатора и большого увеличения зрительной трубы. В предложенном методе длина визирного луча укорочена до 35 м в сравнении с общепринятой – до 50 м. Что касается возможности снижения влияния других видов погрешностей, связанных с влиянием неточности нанесения делений реек, неравенства нулей реек, неточности установки рейки и др., то здесь необходимо следовать общепринятым рекомендациям по их уменьшению согласно Инструкции.

Последовательность проведения измерений, обеспечение их контроля на станции, запись вспомогательной и основной измерительной информации в оперативную память прибора следует осуществлять с учетом требований инструкции (паспорта) нивелира.

К преимуществу предлагаемой методики выполнения высокоточного нивелирования электронным нивелиром можно отнести то, что при завершении нивелирного хода на последней станции, имея отметку исходного пункта, можно выполнить предварительное уравнивание нивелирного хода и получить невязку непосредственно в полевых условиях на последней станции. Этот факт обеспечивает дополнительный оперативный контроль качества в полевых условиях. Например, при выполнении нивелирования I класса на линии Новый – Уоян – Холодная удавалось в нивелирном ходе длиной от 4 до 5,5 км получать невязку от 0,4 до 1,2 мм при допустимых значениях, составляющих, согласно Инструкции 3 мм L, соответственно 6 и 7 мм.

Для полной автоматизации высокоточного нивелирования предлагается в камеральной обработке использовать программный продукт «CREDO-НИВЕЛИР», который, в свою очередь, сокращает множество стыковых процессов при уравнивании и контроле качества, присущих классическому методу обработки. Нет необходимости проверять вычисление в «две руки», так как поступающие первичные данные измениться не могут, программа при этом позволяет проконтролировать результаты автоматически по заданным допускам. По завершению всех вычислений можно оперативно сформировать и вывести на печать по заданным шаблонам необходимую ведомость и получить требуемый графический план (схему) в любом масштабе.

По результатам выполненных измерений выполняется сравнение полученных количественных цикловых данных и выполняется интерпретация в виде построения картосхем вертикальных движений земной коры.

Таким образом, практическая апробация предлагаемой методики подтвердила, что предлагаемые усовершенствования (упрощения) проведения высокоточных измерений электронным нивелиром обеспечивают точность измерений, не только требуемую Инструкцией, но и выше. При этом общий полевой производственный процесс упрощается (нет необходимости вести полевой журнал), а производительность труда повышается за счет автоматического снятия отсчетов. При этом снижается (исключается) ряд систематических и случайных ошибок, обеспечивая повышение точности измерения.

2. Реализуемая методика создания геодинамической сети пунктов спутниковых координатных определений и проведения на них наблюдений позволят достичь требуемой точности измерений с более высокой производительностью труда по сравнению с применяемыми ранее традиционными высокоточными геодезическими измерениями. Вместе с тем, её апробация в разных условиях Восточной Сибири выявила необходимость проведения дальнейших исследований с целью обоснования более высокой надежности учета природных факторов, в том числе изменения внешних условий и технических особенностей аппаратуры в производстве координатных определений на пунктах геодинамических полигонов.

С появлением спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа ГЛОНАСС и GPS появилась возможность оперативно и в кратчайшие сроки реализовывать различные геодезические построения. Обладая неоспоримыми преимуществами перед традиционными видами геодезических измерений в точности определения плановых координат, производительности и автоматизации процесса наблюдений, они прочно занимают свою нишу как средство измерений при изучении геодинамики земной поверхности, обеспечивая площадной мониторинг состояния устойчивости земной поверхности.

Спутниковые координатные определения обеспечивают возможность выполнения наблюдений круглосуточно, в любую погоду и при отсутствии прямой видимости с пункта на пункт. Поэтому не нужно строить высокие сигналы, выбирая места на возвышенностях. Строительство знаков занимало в геодезии до 80 % стоимости работ. Новые пункты закладывают в местах, удобных для подъезда.

Благодаря автоматизации измерений сведены к минимуму ошибки наблюдателей. Большим преимуществом являются и результаты, представляемые в цифровом виде, которые могут быть легко экспортированы в любые геодезические, картографические или географические информационные системы и программные комплексы.

Как и любое другое геодезическое производство, проведение спутниковых измерений требует планирования этапов производства.

Общими этапами спутникового геодезического производства являются:

• составление проекта геодезических работ на объекте;

• получение разрешений для работы на режимных или частных территориях и на работу радиостанций;

• полевая рекогносцировка, в результате которой выдается заключение об объекте, технологии работ и особенностях материально-технического обеспечения измерений и составляется проект полевых работ, подготавливается и формируется необходимый картографический материал;

• закладка центров (полевой контроль);

• организация базовых станций (если это необходимо);

• планирование сеансов наблюдений, которое включает в себя определение оптимальных временных интервалов измерений, проектирование последовательности сеансов или маршрутов обхода объектов наблюдений:

полевые измерения (полевой контроль);

камеральная обработка, получение результатов измерений;

составление технического отчета и оформление необходимой документации;

сдача материалов заказчику и архивирование.

Для целей изучения динамики земной поверхности спутниковыми методами создаются мониторинговые геодинамические полигоны (ГДП).

При создании ГДП на сейсмогенерирующих разломах геодезическая сеть должна иметь достаточную ширину, чтобы обеспечить наиболее надежную регистрацию накопления упругих деформаций.

Внешние пункты (опорные) геодезической сети ГДП желательно размещать на удалении от наиболее деформируемых территорий.

Для спутникового метода измерений выстраиваемая геодезическая сеть должна быть трехзвенной. В наблюдательную сеть должны включаться все пункты ГГС – ФАГС, ВГС, СГС-1, расположенные на площади ГДП. Также в сеть необходимо включать имеющиеся в районе нивелирные линии I и II классов. При развитии сети следует проектировать векторы базовых линий так, чтобы они образовывали построение фигур трилатерации, замкнутые ходы или их сочетание. Это призвано обеспечить контроль по невязкам и повышение точности при обработке. Два приемника на исходных пунктах и один на определяемом дают базовые линии, образующие треугольник векторов.

Высокие требования предъявляются к устойчивости геодезических знаков, при этом обязательными требованиями для пунктов, на которых будут выполняться спутниковые определения, являются: возможности установки антенны (т. е. отсутствие помех на углах возвышения более 15о), надежная устойчивость во времени, многолетняя сохранность, доступность для выполнения повторных измерений, размещение с учетом геолого-тектонических, геоморфологических и гидрологических условий. Знаки, на которых в современных условиях осуществляются измерения, должны быть (по возможности) универсальными с тем, чтобы их можно было одновременно использовать для высокоточных спутниковых, нивелирных и гравиметрических измерений. Для обеспечения высокой точности пункты должны быть снабжены устройствами принудительного центрирования для спутниковых антенн.

В качестве универсальных, закрепляющих спутниковые геодезические сети, наиболее приемлемыми являются знаки типа 190 и 191 (рисунок 1).

Прежде чем переходить к непосредственным измерениям на пунктах построенной геодезической сети, необходимо и важно выполнить подготовку для спутниковых измерений: составить график работ и подготовить программы наблюдений на конкретные дни с учетом радиовидимости и геометрии расположения навигационных спутников (НС), с учетом одновременно работающих приемников на опорном (базовом) и определяемых пунктах. При этом указываются все проектируемые связи базового и передвижного приемников, время работы на пунктах, маршруты перемещения приемников. Исходя из требований к точности измерений, выбирается метод их производства (статика, быстрая статика, RTK), тип приемников, примерная продолжительность сеансов наблюдений, их количество.

Рисунок 1 – Знаки, рекомендуемые для закрепления спутниковых геодезических сетей на ГДП: а) тип 190; б) тип Для выполнения периодических спутниковых измерений на пунктах геодинамического полигона используется двухчастотная геодезическая спутниковая GPS/ГЛОНАСС аппаратура с одинаковым по возможности типом антенн, удовлетворяющая требованиям к аппаратуре, используемой для измерений на пунктах ФАГС и ВГС.

Для решения основной задачи – проведения мониторинга изменения координат при изучении динамики земной поверхности (ДЗП) с применением ГЛОНАСС/GPS технологий – применяется наиболее точный метод относительного позиционирования по фазе несущей частоты сигнала в статическом режиме. Чтобы установить деформации, сеть должна наблюдаться периодически циклами (например, раз в год) или непрерывно.

В России цикловые наблюдения на ГДП, когда геодезическая сеть наблюдается за ограниченный период времени несколькими подвижными приемниками по установленному расписанию перемещений и наблюдений, пока являются основными.

В относительных измерениях определяют приращения координат между опорным и определяемым пунктами, поэтому важной характеристикой таких измерений является вектор базовой линии. Это трёхмерный вектор приращений координат между опорным и определяемым пунктами. Координаты от опорного пункта к определяемому передаются через базовую линию, длина которой определяется из построений на этих двух пунктах пространственной трилатерации с использованием одних и тех же НС. Средняя квадратическая погрешность (СКП) передачи координат зависит от длины базовой линии и напрямую включает в себя погрешности координат исходного пункта. Погрешности исходных данных будут малыми, если координаты базового пункта надёжно определены в геодезических сетях более высокого класса. Длина базовой линии должна быть ограничена до величин, соответствующих требуемой точности и методу спутниковых определений. С увеличением длины базовой линии необходимо увеличивать продолжительность сеанса наблюдений.

Результаты спутниковых наблюдений передаются с приемника или его контроллера на компьютер для постобработки, спектр программных продуктов в котором на современном рынке представлен достаточно широким диапазоном: Topcon Tools, Trimble Geomatics Office, Spectrum Survey (Sokkia), Aschtech Solutions, 3S PACK (Thales), Geo Office (Leica), SKI и другие.

Уравнивание может выполняться как для свободной геодезической сети, опирающейся на один исходный пункт, так и для сети несвободной, опирающейся на избыточное количество пунктов с известными координатами, которые после уравнивания должны сохраниться неизменными. В процессе обработки определяются уравненные по методу наименьших квадратов (МНК) значения координат определяемых пунктов и их СКП, которые сводятся в каталог и могут быть распечатаны в требуемой для отчета форме.

Методика была апробирована под патронажем ЦНИИГАиК в северовосточной части Байкальской рифтовой зоны, где с середины 1970-х гг. практически одновременно со строительством БАМа выполнялись режимные наблюдения за динамикой земной поверхности.

В этом районе с целью изучения геодинамических процессов и снижения риска их последствий была создана сеть из пяти геодинамических полигонов:

Северомуйского в районе Северомуйского тоннеля; Кондинского – на месте эпицентральной зоны Муйского землетрясения 1957 г.; Удоканского – в районе меднорудного месторождения; Олекминского и Южно-Якутского – на активных разломах Олекмо-Становой сейсмической зоны (рисунок 2).

Первые режимные измерения (1974–1979 гг.) на Северомуйской линии (в районе Северомуйского тоннеля) показали, что изменения в положении пунктов в плане и по высоте носят колебательный характер, скорости опусканий и поднятий непостоянны и имеют переменный знак.

Результаты натурных наблюдений 1975 и 1979 гг. позволили оценить наибольшие колебания вертикальных движений и изменение их основных скоростных показателей. При этом оказалось, что размер максимальных амплитуд составлял величину порядка 60 мм.

Рисунок 2 – Схема существующих ГДП в районе Северобайкальской зоны:

Полигоны: 1 – Северомуйский; 2 – Кондинский; 3 – Удоканский; 4 – Олекминский;

5 – Южно-Якутский В 1980-е гг. на Северомуйском полигоне в зонах активных разломов были организованы малые геодезические четырехугольники (МГЧ) (рисунок 3), где построено три «серии» ходов на каждом МГЧ из 10–12 реперов по линии, пересекающей разломы. По каждой серии реперов выполнено нивелирование I класса по два цикла в год (с весны 1986 г. по август 1989 г.).

Результаты нивелирования на созданных МГЧ показали, что вертикальные движения однообразны. В районе оси разлома происходило V-образное проседание, которое постепенно увеличивалось вплоть до последних циклов наблюдений.

Максимальные смещения выявлены на МГЧ «Вертолетный», фиксируя за два первых года опускание величиной 40 мм, а за последний год (в период с июня 1988 г. по сентябрь 1989 г.) – до 70 мм.

Данные повторных линейно-угловых измерений показали, что с первого по шестой цикл на всех трех построениях шло накопление сжатия, в два раза превышающее ошибку измерения. В 1990-е гг. по ряду причин работы не выполнялись.

С 2007 г. в рамках реализации Федеральной целевой программы (ФЦП) «Глобальная навигационная система» работы были возобновлены. Целью работ являлись создание единого эталонного ГДП на всю северо-восточную часть БРЗ и Южную Якутию и построение эффективной и экономичной системы слежения за деформационными процессами верхнего слоя земной коры на указанной территории.

Рисунок 3 – Схема разломов на Северомуйском геодинамическом полигоне и малые геодезические четырехугольники 1986–1989 гг.

В данном районе была создана лишь часть единого геодинамического полигона, получившая название «Северобайкальский полигон».

Комплекс работ выполнялся на участке Северобайкальск – Шиверы силами ВостСибАГП (ФГУП «Восточно-Сибирское аэрогеодезическое предприятие») совместно со специалистами ЦНИИГАиК. Автор данной диссертации принимал непосредственное участие в них как ответственный исполнитель.

Программой работ предусматривалось построение фрагментов сети ВГС и СГС-1 с учетом ранее выполненных геодезических построений ГГС с последующим определением их координат спутниковыми методами и выполнением мониторинга динамики земной поверхности.

Геодезическая сеть пунктов ВГС представляет собой опирающееся на пункты ФАГС однородное по точности пространственное геодезическое построение, состоящее из системы пунктов, удаленных один от другого на расстояние от 150 до 300 км.

Закрепление пунктов на местности производилось по типу центра 191 в виде пилона с устройством принудительного центрирования (см. рисунок 1).

СГС-1 представляет собой пространственное геодезическое построение, состоящее из системы пунктов с плотностью, достаточной для эффективного использования всех возможностей спутниковых определений потребителями со средними расстояниями между смежными пунктами около 25–35 км. В районах с интенсивной хозяйственной деятельностью, а также на территориях с сейсмической активностью 7 баллов и более, расстояние между пунктами СГС-1 составляет от 10 до 35 км. При рабочем построении пунктов СГС-1 допускалось совмещение их с пунктами ГВО, где предпочтение отдавалось реперам нивелирования I и II классов, а также с пунктами триангуляции 1–3-го классов.

Спутниковые измерения выполнялись в течение ограниченного периода времени (с 25.08.07 г. по 25.09.07 г.) несколькими подвижными бригадами по установленному расписанию перемещений и наблюдений в соответствии с предлагаемой методикой.

По завершению этапа (нулевого цикла измерений) была подготовлена спутниковая сеть, состоящая из 43 пунктов, 8 из которых являются пунктами ВГС и 35 – пунктами СГС-1.

Следующий этап производился первым циклом в 2008 г. и вторым циклом – в 2009 г. В 2008 г. были выполнены повторные измерения сети нулевого цикла лишь на 20 пунктах из всех пунктов ВГС и только на 13 пунктах СГС-1.

В 2009 г. был выполнен второй цикл спутниковых измерений на тех же 20 пунктах геодезической сети и локальное построение из двух МГЧ, расположенных в районе западного портала Северомуйского тоннеля, на которых также были выполнены спутниковые измерения. Один из них упоминался ранее – это МГЧ «Вертолетный». Второй был новым МГЧ «Западный портал».

Результаты двух циклов спутниковых измерений 2007 и 2008 гг. показывают незначительные по величине деформации, существенно не превышающие погрешности наблюдений. Исключением является только смещение пункта LODJ (пос. Лодья, СГС-1). В последующих циклах результаты измерений на этом пункте необходимо будет проконтролировать особо тщательно.

Таблица 3 демонстрирует разности координат и высот, взятых по принципу: «координаты пункта в 2008 г. минус координаты пункта в 2007 г.». Таким образом, если пункт имеет знак «минус» по B, то он смещается по широте на юг, в обратном случае – на север, аналогично с долготой («-» на запад, «+» на восток) и высотой («-» означает опускание, «+» подъем).

Результаты циклов 2007–2008 гг. отображают общую (хоть и незначительную) тенденцию динамики земной поверхности изучаемого района, которую также демонстрирует рисунок 4.

Таким образом, можно утверждать, что однозначные преимущества (производительность и высокая автоматизация) спутниковых методов координатных определений позволяют выполнять мониторинг сейсмоактивных районов с большей скоростью и высокой точностью, обеспечивая при этом получение надежных данных о характере динамики земной поверхности.

Таблица 3 – Значения величин смещения пунктов в плане и по высоте в метрах

B L H B L H

Рисунок 4 – Опускание рифтовых впадин относительно хребтов Предлагается в дальнейшем развивать изучение ДЗП на всей территории обширной Байкальской рифтовой зоны и в других сейсмоактивных районах страны спутниковыми методами с последующим постепенным переходом от циклических наблюдений к непрерывным. Непрерывные наблюдения позволят более надежно оценивать и фиксировать движения земной поверхности. Если учесть, что подготовка землетрясения – это накопление деформаций, то мониторинг в режиме непрерывного наблюдения – это путь к прогнозу места подготовки землетрясения. При этом место будущего землетрясения, вероятнее всего, будет соответствовать положению максимальной величины аномалии смещения (напряжения).

3. Предлагаемая технологическая схема проведения комплексных высокоточных геодезических наблюдений на пунктах геодинамической сети в связи с необходимостью изучения геодинамических процессов в сейсмоактивных районах Восточной Сибири обеспечивает повышение информативности получаемых геодезических параметров, характеризующих состояние земной поверхности изучаемой территории и устойчивости природно-технических систем на ней, и предоставляет возможность оперативного регулирования процесса режимных наблюдений для своевременного выявления негативных движений земной поверхности, прогнозирования их негативных последствий.

Технологическая схема (рисунок 5) отражает последовательность действий при создании ГДП (связей и возвратов к тем или иным этапам производства) в первом и последующих циклах геодезических работ.

Первый (начальный) цикл является наиболее ответственным и затратным, так как на основе его результатов планируются и производятся последующие циклы наблюдений.

Нулевой цикл требует тщательной и качественной проработки методики и технологии производства, включая как подготовительный этап, так и производственный – как основной. Последующие циклы призваны обеспечить накопление высокоточных информативных данных, по которым выполняются анализ и интерпретация комплекса информации о ДЗП, прогнозная оценка устойчивости территории и выработка рекомендаций по снижению негативных последствий их проявления. При этом также оценивается необходимость оптимизации полигона (увеличение или уменьшение площади ГДП, добавление или исключение наблюдаемых пунктов и другие случаи).

Внедрение предлагаемой технологии в производство призвано организовать бесперебойное геодезическое изучение ДЗП в любом сейсмоактивном районе Восточной Сибири и решать различные задачи, связанные с изучением геодинамических процессов в любом масштабе.

Развитие и совершенствование предложенной технологической схемы может быть выполнено, исходя из наличия различных (особых) обстоятельств.

К их числу можно отнести следующее:

необходимость локализации отдельных участков мониторинга;

необходимость обеспечения короткопериодичности измерений или их непрерывности;

конкретизация отдельных решаемых частных задач с учетом реальной ситуации мониторинга: при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений, при добыче нефти и газа, угля, рудных полезных ископаемых и др.;

расширение иных целей и задач на пунктах геодинамической сети при организации на них дополнительных измерений (сейсмологических, гравимагнитных и т. д.);

специфика физико-географических условий конкретного района.

Рисунок 5 – Технологическая схема высокоточных режимных геодезических работ Таким образом, предлагаемая технологическая схема отображает последовательность и реальное комплексное проведение высокоточных геодезических измерений с целью получения результатов необходимой точности и выявления информационных показателей происхождения деформационных процессов в различных сейсмоактивных районах и на территориях интенсивной техногенной деятельности.

Заключение В результате проведения диссертационных исследований выполнено следующее.

• Проанализированы изученность сейсмоактивных районов традиционными методами и состояние развития новых методов и технологий в изучении ДЗП. Показаны степень применения спутниковых технологий, реализация построения спутниковых сетей, общность как космического, так и наземного сегментов управления и обработки информации. Дано представление о российском сегменте развития спутниковых сетей, их цели и назначении.

• С учетом развития цифровых технологий в области приборостроения усовершенствован метод высокоточного нивелирования с применением электронных нивелиров, обоснован выбор наиболее приемлемого из нашедших применение в практике работ цифрового нивелира Trimble Dini12, а в обработке результатов высокоточного нивелирования – программного продукта «CREDO Нивелир».

• Рассмотрены ключевые особенности планирования и организации производства геодезических работ при изучении геодинамических процессов. Изложена последовательность этапов выполнения обработки и уравнивания результатов спутниковых измерений.

• Сформулированы основные принципы интерпретации результатов режимных геодезических измерений.

• Отработана технология организации, планирования и проведения высокоточных геодезических работ, обработки и интерпретации их результатов применительно к условиям сейсмоактивных районов Восточной Сибири в режиме многоциклового комплекса наблюдений при проведении мониторинга ДЗП, представленная в виде технологической схемы.

• Выполнен анализ результатов многолетнего изучения динамики земной поверхности в северо-восточной части Байкальской рифтовой зоны. Разработки по методике комплексных геодезических высокоточных измерений и обработке их результатов апробированы на примере территории Северомуйского ГДП, являющегося составной частью регионального Северобайкальского ГДП.

Таким образом, цель диссертационной работы достигнута и предусматриваемые ею задачи реализованы.

Результаты диссертационных исследований позволяют сделать следующие выводы и дать рекомендации.

1. С развитием современного геодезического оборудования появилась возможность выполнения геодезических наблюдений в ранее труднодоступных сейсмоактивных регионах, изучения геодинамических процессов в оперативном режиме.

2. Усовершенствованная методика высокоточного нивелирования позволяет автоматизировать комплекс полевых и камеральных работ на 30–40 %, сократить время исполнения работ и количественный состав исполнителей. Применение электронного нивелира обеспечивает точность измерений, не только требуемую Инструкцией, но и выше.

3. При изучении динамики земной поверхности спутниковые технологии позволяют создавать сети разного уровня и вести мониторинг в любых погодных условиях как в цикличном, так и в непрерывном режимах. Создание спутниковых мониторинговых сетей позволяет также выполнять измерения на неограниченной территории ГДП и сохранять при этом требуемое качество их результатов.

4. Автоматизация процесса измерений, накопление и сохранение первичной информации в электронном виде обеспечивают оперативность в обработке и постобработке данных комплексных геодезических измерений во всех циклах с привлечением дополнительной геолого-геофизической информации, повышая качество и надежность прогнозных оценок степени устойчивости развития территорий и состояния природно-технических систем в их пределах.

5. Предлагаемая технология комплексного геодезического изучения геодинамических процессов рекомендуется для производства целевых работ в сейсмоактивных регионах Восточной Сибири.

6. Комплексные геодезические наблюдения за ДЗП в северо-восточной части БРЗ, в том числе на новом Северобайкальском ГДП рекомендуется продолжить в режиме постоянного мониторинга с целью своевременной оценки устойчивости положения земной поверхности и выработки предложений по снижению негативных последствий возможных геодинамических процессов.

Отмеченная необходимость непрерывного мониторинга может быть отнесена и ко всей обширной территории Байкальской рифтовой зоны с объединением всех существующих на ней ГДП (Тункинского, Баргузинского Северомуйского, Кондинского, Удаканского) в единый общий полигон.

отражающих основное содержание диссертации 1. Тюшевский, Е.Ю. Геодезический мониторинг геодинамики активных разломов на территории Северо-Байкальского региона / Е.Ю. Тюшевский // Геодезия и картография. – 2009. – № 6. – С. 46–50.

2. Тюшевский, Е.Ю. Новые технологии и перспективы развития высокоточного нивелирования / Е.Ю. Тюшевский // Материалы 2-й регион. науч.практич. конф. «Геодезия, картография, кадастр в освоении прир. ресурсов Байк. региона», 23–24 марта 2006 г. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. – С. 58–60.

3. Тюшевский, Е.Ю. Опыт применения электронного нивелира TRIMBLE DINI 12 и перспективы его использования при геометрическом нивелировании I класса / Е.Ю. Тюшевский // Сб. научн. трудов «Пробл. освоен. мин.

базы Вост. Сибири». Вып. 6. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2006. – С. 204–206.

4. Тюшевский, Е.Ю. Цифровой нивелир / Е.Ю. Тюшевский // Сб. материалов международного научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2007» 25–27 апреля 2007 г., Новосибирск. Т. 1. Ч. 1. – Новосибирск: СГГА, 2007. – С. 278–281.