Методика учета влияния глобальных изменений климата на стабильность геодезической основы в районах многолетней мерзлоты: на примере территории Якутии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.32, кандидат наук Ходаков, Павел Аркадьевич

• Ходаков, Павел Аркадьевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Ходаков, Павел Аркадьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЩИЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ГГС

1. 1 ОБЩЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГГС

1.2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЛАВНОЙ ВЫСОТНОЙ ОСНОВЫ РОССИИ

1.3 АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ПРИВОДЯЩИХ К УТРАТЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ЦЕНТРОВ И РЕПЕРОВ

1.4 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТИПОВ ЦЕНТРОВ И РЕПЕРОВ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ

1.4.1 Сравнительный анализ типов центров Государственной геодезической сети 1 - 4 классов

1.4.2 Сравнительный анализ типов центров реперов нивелирования I и II классов

1.4.3 Анализ характеристик пунктов государственных нивелирных сетей I и II классов в историческом и географическом аспектах

1.5 ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 1

2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИК ДЛЯ ОЦЕНКИ

ВЛИЯНИЯ ПРОЦЕССОВ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ГЛОБАЛЬНЫМИ ИЗМЕНЕНИЯМИ КЛИМАТА, НА СОСТОЯНИЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ ОСНОВЫ В МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЕ

2.1 ВЛИЯНИЕ ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ НА МНОГОЛЕТНЮЮ МЕРЗЛОТУ

2.2 АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ НА ГЛУБИНЫ ЗАКЛАДКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ЦЕНТРОВ

2.3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ГЛУБИН ПРОТАИВАНИЯ ГРУНТА И ИХ ИЗМЕНЕНИЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ

ЗАКЛАДКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ЦЕНТРОВ НА ТЕРРИТОРИИ ЯКУТИИ

2.3.1 Основные положения и общие сведения о картах протаивания

2.3.2 Составление Карты глубин протаивания грунта на территории Якутии для расчета глубины закладки геодезических центров

2.3.3 Сравнительное исследование карты глубин протаивания грунта на территории Якутии с использованием материалов предшествующего периода

2.3.3.1 Сравнение с «Картой промерзания и протаивания грунтов для определения глубины закладки центров и реперов»

2.3.3.2 Сравнение со «Схемой районирования Якутской АССР по значениям глубин сезонного оттаивания»

2.3.3.3 Сравнение с картой «Сезонное промерзание и протаивание грунтов»

2.3.4 Составление карты глубин протаивания грунта на территории Якутии в современных программах интерполяции

2.3.4.1 Общая характеристика и сравнительное исследование методов интерполяции

2.3.4.2 Построение карты глубин протаивания грунта Якутии методом кригинга

2.4 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ЭРОЗИОННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ БЕРЕГОВ АРКТИЧЕСКИХ МОРЕЙ НА ГЕОДЕЗИЧЕСКУЮ ОСНОВУ (НА ПРИМЕРЕ МОРЯ ЛАПТЕВЫХ И ВОСТОЧНО - СИБИРСКОГО МОРЯ)

2.4.1 Общие сведения и постановка задачи

2.4.2 Анализ центров и реперов на побережье Восточно - Сибирского моря

2.4.3 Анализ центров и реперов на побережье моря Лаптевых

2.4.4 Выявление геодезических центров скального типа на побережье моря Лаптевых и Восточно - Сибирского моря

2.5 ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 2

3 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО УЧЕТУ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА НА

СТАБИЛЬНОСТЬ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ ОСНОВЫ В РАЙОНАХ

МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЫ

3.1 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НОВЫХ ДАННЫХ О НАИБОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ ПРОТАИВАНИЯ ГРУНТА ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПУНКТОВ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ НА ТЕРРИТОРИИ ЯКУТИИ

3.2 МАКЕТ РЕАЛИЗАЦИИ САЙТА ЭЛЕКТРОННОЙ КАРТЫ ПРОТАИВАНИЯ

3.3 РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО ОПТИМИЗАЦИИ РАСПОЛОЖЕНИЯ ПУНКТОВА ФАГС, ВГС И СГС-1 ОТНОСИТЕЛЬНО ПУНКТОВ ГВО В МНОГОЛЕТНЕЙ МЕРЗЛОТЕ

3.3.1 Построение карты разностей гравиметрических и геометрических аномалий

3.3.2 Разработка предложений по оптимальному планированию развития

спутниковых и нивелирных сетей в многолетней мерзлоте

3.4 ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ 3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Плотность пунктов ГГС по субъектам Российской Федерации

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Количественные данные и данные о плотности пунктов спутниковых геодезических сетей на территории Российской Федерации

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Плотность пунктов ГВО по субъектам Российской

Федерации

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Плотность пунктов государственной гравиметрической сети по субъектам Российской Федерации

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Типы геодезических центров и реперов

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Префикс Аэрогеодезического предприятия (сокращение)

ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Карты глубин протаивания

ПРИЛОЖЕНИЕ 8Сравнение методов интерполяции в Агс01Б

ПРИЛОЖЕНИЕ 9 Сравнение карт проинтерполированных по исходным 35 точкам и по 35 плюс 8 дополнительным точкам

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика учета влияния глобальных изменений климата на стабильность геодезической основы в районах многолетней мерзлоты: на примере территории Якутии»

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с Федеральным законом Российской Федерации от 30.12.2015 №431-ФЗ «О геодезии, картографии и пространственных данных...» для обеспечения выполнения геодезических и картографических работ на территории Российской Федерации создаются и используются государственная геодезическая сеть (ГГС), государственная нивелирная сеть и государственная гравиметрическая сеть, в целях, соответственно, установления государственных систем координат, их распространения на территорию Российской Федерации и обеспечения возможности создания геодезических сетей специального назначения, распространения государственной системы высот и государственной гравиметрической системы на территорию Российской Федерации.

Государственная геодезическая (нивелирная, гравиметрическая) сеть представляет собой совокупность геодезических (нивелирных, гравиметрических) пунктов, расположенных на обеспечиваемой территории в соответствии с установленными нормами плотности и закрепленных на местности специальными инженерными конструкциями - центрами, обеспечивающими их сохранность и устойчивость в плане и по высоте в течение длительного времени [45].

На сегодняшний день стабильность положения центров геодезических пунктов должна обеспечиваться в пределах нормативной точности определения их плановых координат и высот. Невыполнение данного требования исключает возможность эксплуатации геодезических пунктов и приводит к необходимости дорогостоящих повторных измерений и восстановительных работ. Разрушение центров фактически приводит к утрате геодезических пунктов.

В перспективе требования к обеспечению стабильности положения геодезических пунктов будут повышаться. Это обусловлено:

• повышением требований к точности установления государственной геоцентрической системы координат, как одной из основных задач фундаментального координатно-временного обеспечения страны;

• внедрением спутниковых технологий выполнения геодезических работ, включая развитие высотной основы, и связанной с этим потребностью во все более полной реализации возможностей системы ГЛОНАСС и зарубежных ГНСС;

• сохранением потенциала традиционных геодезических методов и преемственности в развитии и использовании государственных геодезических и нивелирных сетей.

Поэтому обеспечение надежного закрепления геодезических центров, сохранности и неизменности их положения в плане и по высоте в течение длительного времени приобретает большое значение для всей геодезической отрасли страны.

В современных условиях имеются три основных причины, которые вызывают разрушение или потерю стабильности положения геодезических пунктов:

• хозяйственная деятельность субъектов, особенно в густонаселённых и промышленно развитых регионах;

• невыполнение требований действующих нормативных документов в отношении обеспечения сохранности пунктов ГГС при выполнении геодезических работ;

• природные процессы, в том числе процессы, связанные с изменением климата, одним из которых является увеличение глубины протаивания грунтов в зоне многолетней мерзлоты.

Районы многолетней мерзлоты занимают около 65% территории страны [71]. В этих районах геодезические центры и реперы должны

закладываться ниже глубины протаивания грунта, причем с определенным запасом прочности [50,51]. Глобальное потепление климата увеличивает глубину протаивания грунта, в результате чего растет количество случаев нарушения требований инструкции к глубине закладки центров по отношению к нижней границе протаивания. Соответственно, возрастает острота вопроса о надежности и доверии к стабильности таких сооружений в зоне многолетней мерзлоты.

В условиях России, с ее большой территорией, различием климатических и географических зон появилось множество различных конструкций центров и реперов, пригодных для закрепления геодезических и нивелирных пунктов в определенных регионах. Правильность выбора конструкции центра, его типа, глубины и способа закладки напрямую влияет на его сохранность, стабильность и возможность эксплуатации в течение длительного времени.

Одним из наиболее крупных российских регионов вообще и регионов, испытывающих на себе влияние многолетней мерзлоты и протекающих в ней процессов в частности, является территория Республики Саха (Якутия). Сохранение и развитие исходной геодезической основы на территории Якутии имеет ключевое значение для поддержания системы топографо-геодезического обеспечения Российской Федерации в готовности к решению текущих и перспективных задач в сфере обороны, безопасности и социально-экономического развития страны, в первую очередь, задач, связанных с освоением районов Сибири и Крайнего Севера.

Степень разработанности темы

Исследования вопросов закрепления пунктов ГГС начали проводиться в нашей стране в середине 1930-х годов в ЦНИИГАиК под руководством С.Г. Пархоменко. В ходе этих исследований было выявлено значительное влияние промерзания и протаивания грунтов на устойчивость знаков [56]. В 1950 году в ЦНИИГАиК под руководством М.С. Успенского были проведены исследования устойчивости геодезических знаков во всех

наиболее типичных физико-географических зонах страны, для чего на территории СССР была создана сеть из 14 опытных площадок. Результаты этих исследований не потеряли своего основополагающего значения до настоящего времени [56-64]. Существенный вклад в развитие практики обеспечения устойчивости и надежности геодезических знаков внесли Б.Г. Богданов [5,6,7,8,48], В.В. Гаревский [26], А.С. Ильин [36], Л.А. Кашин [20,21,22], В.И. Кафтан [19,31], Ю.А. Крюков [26], Е.Н. Кондратьева [23],

A.Г. Малков [30], И.Н. Мещерский [32,33,34], И.С. Пандул [48],

B.Д. Сибирцев [54], Х.К. Ямбаев [73], С.Г. Барабанщиков [3] и др. Вопросы закрепления геодезических центров в многолетней мерзлоте нашли отражение в работах Б.Г. Богданова и Е.Н. Кондратьевой. Однако эти работы относятся к периоду относительной стабильности многолетней мерзлоты. Кроме того, во всех указанных работах, датируемых серединой и концом прошлого века и ориентированных, соответственно, на традиционные геодезические измерения, не затронуты вопросы закрепления в условиях многолетней мерзлоты спутниковых геодезических построений. Следует отметить, что и в последующие годы этим вопросам, имеющим существенное значение с точки зрения современной геодезической практики, в отечественных и зарубежных публикациях не уделялось должного внимания.

Таким образом, сложившиеся в прежние годы подходы к решению проблемы обеспечения устойчивости геодезических пунктов и надежности геодезических построений в различных физико-географических условиях, в том числе в зоне многолетней мерзлоты, не учитывают:

• достаточно интенсивное (на протяжении последних лет) увеличение глубины протаивания грунта в зоне многолетней мерзлоты, его разрушительное влияние на инфраструктуру геодезических сетей, и другие природные процессы, обусловленные глобальным изменением климата Земли;

• повышение требований к точности геодезических измерений, обусловленное переходом на спутниковые технологии выполнения геодезических работ и стремлением к максимально возможной реализации потенциала системы ГЛОНАСС;

• целесообразность рационального сочетания вновь создаваемых государственных спутниковых геодезических сетей (ФАГС, ВГС, СГС-1) и поддерживаемых в работоспособном состоянии государственных геодезических сетей, созданных в прежние годы с использованием традиционных методов, для обеспечения необходимой точности и плотности исходной геодезической основы.

Отмеченная проблемная ситуация, сфокусированная, в первую очередь, именно на последствиях деградации многолетней мерзлоты, требует проведения исследований по анализу современного состояния ГГС, классификации центров и реперов, закрепляющих геодезические пункты в условиях многолетней мерзлоты, оценке соответствия этих сооружений в их фактическом состоянии требованиям нормативно-технических документов по развитию ГГС. Для этого необходима разработка научно обоснованных подходов, позволяющих объективно оценивать текущее и перспективное состояние центров и реперов ГГС, заложенных в многолетней мерзлоте, с учетом влияния глобальных изменений климата. Также требуют научной проработки вопросы оптимизации организационно-технических мероприятий по обеспечению устойчивости и надежности новых пунктов ГГС, создаваемых с использованием спутниковых технологий в районах многолетней мерзлоты. Проблемным вопросом поддержания и развития исходной геодезической основы в районах многолетней мерзлоты, требующим своевременного решения, является повышение надежности реализации в этих районах системы нормальных высот.

С учетом отмеченных обстоятельств, а также большого количества геодезических центров и реперов, заложенных на территории Российской Федерации в районах многолетней мерзлоты, и в связи с намеченными перспективами построения в этих районах спутниковых геодезических сетей тема настоящего диссертационного исследования, посвященного вопросам оценки стабильности и возможности эксплуатации различных типов геодезических пунктов в условиях многолетней мерзлоты под влиянием глобальных изменений климата (на примере Республики Саха (Якутия)) актуальна для развития отрасли геодезии и картографии и системы топографо-геодезического обеспечения Российской Федерации.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности работ по поддержанию в рабочем состоянии и созданию исходной геодезической основы в районах многолетней мерзлоты (в условиях глобальных изменений климата).

Основная идея работы состоит в разработке методики комплексного учета влияния глобальных изменений климата на стабильность геодезической основы в районах многолетней мерзлоты, состоящей из двух двух частных методик оценки влияния процессов, обусловленных указанными изменениями - методики оценки глубины протаивания грунта и ее изменения для расчета глубины закладки геодезических центров и методики учета влияния эрозионных изменений берегов арктических морей на состояние и планируемое развитие геодезических сетей в районах многолетней мерзлоты.

Таким образом, для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести анализ характеристик и современного состояния государственных геодезических и нивелирных сетей по типам центров, используемых для их закрепления на местности.

2. Уточнить требования к учету глубин сезонного протаивания грунта при аттестации существующих и создании новых геодезических пунктов в районах многолетней мерзлоты.

3. Разработать методику оценки глубин протаивания грунта и их изменений на территории Якутии, включающую моделирование глубин протаивания с использованием современных геоинформационных технологий.

4. Разработать методику учета влияния эрозионных изменений берегов арктических морей при оценке состояния существующих и планировании закладки новых геодезических пунктов.

5. Разработать предложения по практическому использованию указанных методик для учета влияния глобальных изменений климата, выражающегося в увеличении глубины протаивания грунта на территории Якутии и повышении интенсивности эрозионных процессов в прибрежных районах арктических морей, на стабильность геодезической основы в районах многолетней мерзлоты.

6. Разработать с использованием современных данных обновленную электронную карту глубин протаивания грунта на территории Якутии, предложения по ее размещению в сети Интернет и рекомендации по практическому использованию при оценке глубин заложения центров геодезических пунктов и реперов.

7. Разработать схему поправок в геодезические высоты за переход к нормальным высотам для поддержания системы высот и реализации метода спутникового нивелирования на территории Якутии и Российской Федерации в целом в условиях возможной утраты части пунктов Главной высотной основы (ГВО) под влиянием деградации многолетней мерзлоты.

8. Провести экспериментальные исследования по проверке теоретических положений и моделей, положенных в основу разрабатываемых методик.

Перечисленные задачи решались с использованием методов высшей геодезии, геодезической гравиметрии, математического и геоинформационного моделирования, статистического анализа и современных информационных технологий.

При проведении исследований использовались следующие информационные материалы и программные средства: База гравиметрических, нивелирных и спутниковых данных; геоинформационные системы Агс018, MapInfo, QGIS, Surfer; пакет программ TableCurve 3D; программы для работы с базой гравиметрических, нивелирных и спутниковых данных, составленные автором на языке программирования Python.

Научная новизна исследований заключается в постановке комплекса задач учета глобальных изменений климата на состояние геодезической основы районов многолетней мерзлоты, которые ранее не рассматривались в геодезических исследованиях, использовании для оценки реакции многолетней мерзлоты на изменение климата новых данных, полученных с сети станций Росгидромета и сети геокриологического мониторинга CALM, разработке и исследовании математических моделей для оценки сезонного протаивания грунта с использованием методов интерполяции, обеспечивающих получение приемлемой точности прогноза максимальных глубин в условиях относительно редкой сети станций наблюдения.

На защиту выносятся новые научные положения и результаты:

1. Обоснование необходимости учета последствий глобального изменения климата Земли, выражающихся в увеличении глубин сезонного протаивания грунта в районах многолетней мерзлоты и интенсификации эрозионных процессов в прибрежной зоне

арктических морей, при поддержании, развитии и модернизации государственных геодезических и нивелирных сетей.

2. Выполнено площадное моделирование поля глубин протаивания грунта на территории Якутии с использованием геоинформационных технологий, обеспечивающее адекватное отражение текущего состояния многолетней мерзлоты на данной территории в цифровом и графическом виде по имеющимся фактическим данным станций наблюдения и позволяющее проследить динамику изменения глубин протаивания грунта под влиянием глобальных изменений климата Земли.

3. Методика учета влияния глобальных изменений климата, выражающегося в увеличении глубины протаивания грунта на территории Якутии и интенсивности эрозионных процессов в прибрежных районах арктических морей, на стабильность геодезической основы в районах многолетней мерзлоты, позволяющая повысить объективность оценки состояния ГГС, надежность исходной геодезической основы в районах многолетней мерзлоты, уменьшить риски снижения качества и повышения трудоемкости выполнения работ по поддержанию и развитию геодезических сетей в сложных физико-географических условиях.

4. Технологии построения и экспериментальные образцы обновленной электронной карты глубин протаивания грунта на территории Якутии, созданной с использованием современных данных, и схемы поправок за переход от геодезических высот к нормальным высотам, обеспечивающие повышение достоверности оценки необходимых глубин закладки геодезических центров в условиях деградации многолетней

мерзлоты и использование спутниковых методов развития высотной основы.

Личный вклад автора состоит в непосредственном участии в проведении всех теоретических и экспериментальных исследований, апробации результатов исследования, подготовке докладов и публикаций по теме диссертации. Вся обработка и интерпретация полученных результатов выполнена лично автором.

Теоретическая значимость диссертации заключается в разработке теоретических основ и математического обеспечения повышения точности и надежности учета глубин протаивания грунта по данным наблюдений при поддержании в рабочем состоянии и развитии исходной геодезической основы в районах многолетней мерзлоты.

Практическая значимость диссертации заключается в разработке методик, средств и рекомендаций, позволяющих повысить объективность, достоверность и актуальность данных о необходимых глубинах закладки геодезических центров на территории Якутии и, как следствие, повысить эффективность работ по аттестации геодезических пунктов, поддержанию и развитию ГГС в условиях многолетней мерзлоты. Реализация предлагаемых в работе технологических и технических решений, в том числе созданной автором современной по содержанию и форме карты протаивания Якутии для расчета глубины закладки геодезических центров, позволит оперативно определять необходимую глубину закладки контрольных центров ФАГС и ВГС, геодезических центров при развитии спутниковых геодезических сетей, и сетей нивелирования I и II классов, а также своевременно исключать из работ геодезические пункты, центры которых находятся в аварийном состоянии.

Степень достоверности результатов работы. Достоверность результатов проведенных исследований определяется корректностью

постановки задач учета изменения глубины протаивания многолетней мерзлоты и эрозии побережья прилегающих морей, предлагаемых путей и методов их решения, строгостью математического аппарата обработки результатов наблюдений, использованием реальных данных о глубинах протаивания в районах многолетней мерзлоты, обработкой и анализом измерительной информации с помощью апробированного программного обеспечения ведущих мировых производителей.

Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на двух научно-технических конференция студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, на заседаниях кафедры Высшей геодезии, семинарах в ЦНИИГАиК и ФБГУ Центра геодезии, картографии и инфраструктуры пространственных данных.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации автором опубликованы девять статей [27,42,43,53,65,66,67,68,69]. Все журналы, в которых опубликованы статьи, входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованной литературы и девяти приложений. Диссертация изложена на 148 страницах машинописного текста. Список использованной литературы включает 108 наименования, в том числе 34 на английском языке. Диссертация сопровождается 46 иллюстрациями, 9 таблицами и 9 приложениями.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы сформулированы её цель и задачи, отображены научная новизна и практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрено современное состояние государственных геодезических сетей и нивелирных сетей. Проведено

исследование плановых (АГС 1, 2, 3 и 4-х классов) и высотных сетей (сети нивелирования I и II классов) на предмет закрепления их определенными типами центров. Проведены анализ характеристик типов реперов I и II классов в историческом и географическом аспектах. Рассмотрена проблема утраты геодезических центров и выполнен анализ утраты геодезических центров и реперов.

Во втором разделе отражена разработанная методика учета влияния глобальных изменений климата, выражающегося в увеличении глубины протаивания грунта на территории Якутии и интенсивности эрозионных процессов в прибрежных районах арктических морей, на стабильность геодезической основы в районах многолетней мерзлоты. Приведено создание карты глубин протаивания грунта (КГПГ) Якутии по современным данным. Произведено сравнение с тремя подобными картами. Проведены исследования по созданию карты различными методами интерполяции. Произведено сравнение методов. Выполнено площадное моделирование поля глубин протаивания грунта на территории Якутии с использованием современных геоинформационных систем (ГИС). Проведен анализ геодезических центров и реперов в прибрежной десятикилометровой зоне моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря.

В третьем разделе на основании разработанных методик проведены исследования по экспериментальной проверке современного состояния заложенных геодезических центров на территории Якутии и в зоне многолетней мерзлоты. Разработан макет реализации сайта электронной карты протаивания на примере республики Якутия. Построена карта разностей гравиметрических и геометрических аномалий высот.

В заключении диссертации изложены итоги выполненного исследования, рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы.

1 ОБЩИЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ГГС

1.1 ОБЩЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГГС

Основой геодезического обеспечения территории России является государственная геодезическая сеть. Она представляет собой совокупность геодезических пунктов, расположенных по всей территории и закрепленных на местности специальными центрами, обеспечивающими их сохранность и устойчивость в плане и по высоте в течение длительного времени [45].

Для повышения эффективности геодезического обеспечения России создается новая структура геодезических сетей, ориентированная на максимально возможное использование потенциала спутниковых методов определения координат [24].

Высшим звеном современной ГГС является ФАГС, обеспечивающая реализацию геоцентрической системы координат качественно нового уровня точности и целостность данной системы координат при последующем ее распространении по всей территории России с использованием спутниковых сетей нижестоящих классов точности (ВГС и СГС-1).

Государственные сети триангуляции и полигонометрии 1 - 4 классов в новой структуре являются сетями сгущения, предназначенными также для сохранения геодезического и картографического потенциала, накопленного в прежние годы. С этой целью выполнено новое уравнивание ГГС 1 - 4 классов с опорой на пункты ФАГС, ВГС, СГС-1. Результаты этого уравнивания обеспечивают возможность перевода всей системы геодезического и картографического обеспечения страны на использование единой государственной геодезической системы координат ГСК - 2011, установленной Постановлением Правительства Российской Федерации от 28 декабря 2012 года №1463.

Таким образом, координатная основа РФ в настоящее время реализуется ГГС, включающей в себя две основные составные части:

• ГГС 1 - 4 классов, созданную в прежние годы с использованием традиционных геодезических методов;

• ГСГС (ФАГС, ВГС, СГС-1), создаваемую с использованием методов спутникового позиционирования.

Высотная основа Российской Федерации реализуется государственной нивелирной сетью. Государственная нивелирная сеть Российской Федерации предназначена для распространения единой системы нормальных высот на территории всей страны. Государственные нивелирные сети I и II классов представляют Главную высотную основу России [16].

Гравиметрическая основа РФ реализуется Государственной фундаментальной гравиметрической сетью (ГФГС), которая насчитывает до 60 пунктов и Государственной гравиметрической сетью 1 класса (ГГС-1) около 500 пунктов. В настоящее время эти две сети развиваются абсолютным методом [80]. Абсолютные измерения выполняются на пунктах ФАГС и на пунктах ГГС-1, повышая таким образом точность измерений с 30 мкГал (маятниковые измерения силы тяжести) до современных 8 мкГал. Каждый пункт ГФГС и ГГС-1 имеет 2 -3 пункта - спутника, связи между которыми выполняются относительными гравиметрами с точностью близкой к 8 мкГал.

Поддержание государственных геодезических, нивелирных и гравиметрических сетей сталкивается с проблемой обеспечения сохранности центров, которыми они закреплены. Наибольшую остроту эта проблема имеет для центров ГВО. Поскольку на сегодняшний день спутниковые методы не могут заменить нивелирование I и II классов, утрата центров ГВО влечет за собой необходимость выполнения повторного нивелирования с закладкой новых центров. Как следствие, утеря пунктов нивелирования связана с дополнительными трудовыми и финансовыми затратами.

Согласование государственной системы координат ГСК-2011 с государственной системой высот обеспечивается привязкой всех пунктов ФАГС и ВГС, а также значительной части пунктов СГС-1, к пунктам ГВО.

Контроль этой привязки должен проводиться с периодичность один раз в год для пунктов ФАГС и не менее одного раза в три-пять лет для пунктов ВГС.

Новый облик ГГС определяют государственные спутниковые геодезические сети - ФАГС, ВГС, СГС-1 [45].

ФАГС состоит из постоянно действующих и периодически определяемых пунктов. Все пункты ФАГС фундаментально закреплены с обеспечением долговременной стабильности их положения в плане и по высоте. В настоящее время в состав сети ФАГС входят 55 пунктов (открытого и закрытого пользования), (7 периодически определяемых) 48 из которых являются постоянно действующими пунктами (Рисунок 1). В число открытых пунктов ФАГС входят 8 пунктов системы дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ) Роскосмоса, 11 пунктов Российской академии наук (РАН), включая три пункта радио-интерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), 5 пунктов Росстандарта и 9 пунктов Росреестра. Функционирование этих пунктов ФАГС обеспечивается по согласованной программе на основе соглашений о взаимодействии Росреестра с Роскосмосом, РАН и Росстандартом. Двадцать два пункта Росреестра являются пунктами закрытого пользования [40].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ходаков, Павел Аркадьевич, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Альбом типов центров и реперов. Москва, 1945 г. 40 с.

2. Альбом типов центров и реперов. Москва, 1965 г. 28 с.

3. Барабанщиков С.Г., Белых А.Г. Устойчивость государственной высотной сети в условиях Западной и Восточной Сибири. // Нефтепромысловое строительство. - 1980- №8.-с. 14-16.

4. Белолуцкая М.А. автореферат «Влияние изменения климата на вечную мерзлоту и инженерную инфраструктуру Крайнего Севера»

5. Богданов Б.Г. Анализ надежности государственных геодезических сетей в Якутии // Геодезия и картография- 1991- №3.-с. 15-18.

6. Богданов Б.Г. Вопросы районирования Якутской АССР для определения глубин закладки геодезических знаков // Геодезия и картография- 1986- №7.-с. 30-31.

7. Богданов Б.Г. Закладка геодезических центров в районах многолетней мерзлоты. - М.: Недра, 1990. - 160 с.

8. Богданов Б.Г. Исследование стабильности стенных геодезических знаков в районах многолетней мерзлоты // Геодезия и картография- 1985- №7.-с. 16-19.

9. Бровар Б.В., Горобец В.П., Попадьев В.В.О спутниковом нивелировании «Геодезия и картография» 2015 г. №1, с. 2-4.

ЖГаврилова, М.К. 1981. Современный климат и вечная мерзлота на континентах. 1981, Новосибирск: Наука. 112 с.

11.Гофман - Велленгоф Б., Мориц Г., Физическая геодезия / М.: Издательство МИИГАиК, 2007, 426 с.

12.Гравиметрия и геодезия. - М.: Научный мир, 2010. - 572 с.: ил. 352

13. Григорьев М.Н. автореферат «Криоморфогенез и литодинамика прибрежно-шельфовой зоны морей восточной сибири». 2008 г. 40 с.

14.Григорьев М.Н., С.О. Разумов, В.В. Куницкий, В.Б. Спектор Динамика берегов восточных арктических морей России: основные факторы, закономерности и тенденции. Криосфера земли 2006 том X, с. 74-94.

15.Демьянов Г.В., Майоров А.Н. К вопросу об установлении единой общеземной системы нормальных высот. Научно-технический сборник «Физическая геодезия». М.: ЦНИИГАиК. 2004. С. 168-182.

16. Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов, ГКИНП (ГНТА)-03-010-02, М., ЦНИИГАиК, 2003. - 134 с.

17. Инструкция по развитию высокоточной государственной гравиметрической сети России, ГКИНП (ГНТА)-04-252-01, М., ЦНИИГАиК, 2001. - 32 с.

18. Карта промерзания и протаивания грунтов для определения глубины закладки центров и реперов. М., ЦНИИГАиК, 1987, с. 4.

19. Кафтан В.И. Анализ устойчивости геодезических пунктов и определение векторов смещений земной коры, Геодезия и картография-1986- №5-С. 9-12

20. Кашин Л.А. О развитии высокоточной нивелирной сети СССР и повторном нивелировании. - В сб.: Современные движения земной коры. - М., 1968, №3.

21. Кашин Л. А. О программе высокоточного нивелирования и его научно-техническом значении. - Геодезия и картография, 1968, № 10, с. 11-17.

22.Кашин Л. А. Нивелирная сеть СССР. - В сб.: О нивелирной сети СССР (к 100 - летию создания высокоточной нивелирной сети). М., Недра, 1979, с. 4-48.

23. Кондратьева Е.Н. Совершенствование методов развития и закрепления геодезических сетей в городах Севера (на примере городов Якутии). Автореферат дисс. к.т.н. - Якутск: 1994. - 28 с.

24. Концепция развития отрасли геодезии и картографии до 2020 года. Распоряжение Правительства РФ от 17 декабря 2010 г. N 2378-р.

25. Краснов К.М. «Вечная мерзлота в бассейне реки Аркагалы». Труды Института мерзлотоведения т. VII, 1950

26.Крюков Ю.А., Гаревский В.В. Устойчивость реперов в зависимости от их геолого-геоморфологического положения / Изв. Вузов, 1973, № 4.

27.Ложкин А.О., Ходаков П.А. Исследование стабильности геодезических центров в районе вечной мерзлоты // Геодезия и картография 2012, № 3 -с. 21 - 26.

28.Маркузе Ю.И., Голубев В.В., Теория математической обработки геодезических измерений. Академический проект 2010, 247 с.

29. Майоров А.Н. Разработка технологии и создание модели квазигеоида с использованием спутниковых данных: дис. на соискание канд. техн. наук: 25.00.32 - М., 2008. - 107 с.

30. Малков А.Г. Анализ стабильности реперов по результатам повторных измерений // Геодезия и картография- 1980- №11. с. 31-32.

31.Матвеев С.И., Коугия В.А., Ниязгулов У.Д., Клюшенков Ю.А., Кафтан В.И., легкий В.В., Незнакомов Г.Г., Савенков Е.Н., Симаков А.Н., Волков В.Ф. Технология создания реперной системы линии «Москва-Петушки» / Геоинформационные технологии и спутниковые радионавигационные системы на железнодорожном транспорте, Сб. научных трудов, Вып. 930, М., МИИТ, 2002.- С. 79-85

32. Мещерский И. Н. Современные методы и средства Государственного нивелирования I и II классов.- В сб.: О нивелирной сети СССР (к 100-летию создания высокоточной нивелирной сети). М., Недра, 1979, с. 8489.

33.Мещерский И. Н. Высотная сеть города. // Материалы научно-техн. конф. Совершенствование программ и построения геодезических сетей на территории городов. - Новосибирск. 1979. - с. 75-76.

34. Мещерский И. Н. Требования к точности высотной сети города // Геодезия и картография- 1975- №4. с. 44-47.

35. Молоденский М.С. Основные вопросы геодезической гравиметрии // Труды ЦНИИГАиК 42, 1945, 107 с.

36.Наумов Я. В., Ильин А.С. Вопросы закрепления Государственной нивелирной сети. - В сб.: О нивелирной сети СССР (к 100-летию создания высокоточной нивелирной сети). М., Недра, 1979, с. 99-110.

37. Научно-технический отчет по теме: «Исследование устойчивости центров и реперов в различных физико-географических условиях» ЦНИИГАиК, 1960.

38.Научно-технический отчет по теме: НИР 2.190 «Разработка технологии восстановления и развития геодезических сетей», Москва - 1973 г.

39.Научно-технический отчет по теме: НИР № 08.154 «Разработка альбома типов центров и реперов, проекта раздела национального стандарта по геодезии». Москва - 2006г.

40.Научно-технический отчет по теме: НИР № 98/1Д/2012 «Анализ современного состояния геодезического обеспечения территории Российской Федерации по точности и плотности пунктов ГГС, нивелирных и гравиметрических сетей с учетом перспективных требований потребителей». Москва - 2012г.

41.Национальный атлас России. 4 тома. 2004-2008г.

42.Непоклонов В.Б., Ходаков П.А. Анализ характеристик пунктов государственных нивелирных сетей I и II классов в историческом и географическом аспекте «Геодезия и картография» 2015 г. №7, с. 14-18.

43.Непоклонов В.Б., Ходаков П.А. Сравнение методов интерполяции при построении карты протаивания территории Якутии для расчета глубин закладки геодезических центров. «Геодезия и картография» 2016 г. №6, с. 44-49.

44. О нивелирной сети СССР ГУГК, М., Недра, 1979, 139 с.

45. Основные положения о государственной геодезической сети Российской Федерации ГКИНП (ГНТА) - 01-006-03. - М., Федеральная служба геодезии и картографии России, 2003 г.

46. ОСТ 68-12-97 Отраслевой стандарт. Приспособления для принудительного центрирования геодезических приборов. Типы, основные параметры и технические требования. Москва., ЦНИИГАиК. 1997 г. 16 с.

47. Оценочный отчет. Основные природные и социально-экономические последствия изменения климата в районах распространения многолетнемерзлых пород: прогноз на основе синтеза наблюдений и моделирования. ОМННО «Совет Гринпис», 2010, 44 с.

48. Пандул И.С., Богданов Б.Г. Исследование стабильности стенных нивелирных знаков в Якутске // Геодезия и картография- 1979- №2. с. 1619.

49. Построение моделей пространственных переменных (с применением пакета Surfer): Учебное пособие / К.А. Мальцев, С.С. Мухарамова. -Казань: Казанский университет, 2014. - 103 с.

50.Правила закрепления центров пунктов спутниковой геодезической сети., М., ЦНИИГАиК 2001

51. Правила закладки центров на пунктах геодезической и нивелирной сетей. М., КГЦ Геодезиздат, 1993 г.

52. Савельев А.А., Мухарамова С.С., Пилюгин А.Г., Чижикова Н.А. Геостатистический анализ данных в экологии и природопользовании (с применением пакета R). Учебное пособие / Казань: Издательство Казанского университета, 2012. 120 с.

53. Серебрякова Л.И., Ходаков П.А., К вопросу о постановке работ на прогнозных геодинамических полигонах. «Геодезия и картография» № 5, 2006 г. с. 27-35.

54. Сибирцев В.Д. Исследование устойчивости геодезических анкерных центров / Автореферат дисс. к.т.н. - Горки.: 1974. - 28 с.

55. Технический отчет по госконтракту №54Д/2012, Этап №2 «Обследование состояния геодезической обеспеченности островов Северного Ледовитого Океана, контроль и уточнение геодезических

данных, и занесение их в базу данных в целях обеспечения их длительного и постоянного хранения в ФКГФ», Москва 2012, 190 стр.

56.Успенский М.С. Исследования по закреплению геодезических пунктов на территории СССР // Труды ЦНИИГАиК.- вып. 167. -М.: Недра, 1966.- 192 с.

57. Успенский М.С. Вопрос о типе грунтовых реперов // Геодезия и картография- 1962- № 1.-с. 27-30.

58. Успенский М.С. Об использовании пластмасс для изготовления центров и реперов // Геодезия и картография- 1961- № 4.-с. 30-34.

59. Успенский М.С. Об определении глубины закладки центров и реперов // Геодезия и картография- 1957- №3.-с. 12-16.

60. Успенский М.С. О конструкции знака для районов распространения многолетней мерзлоты // Геодезия и картография- 1958- №8.-с. 31-39.

61.Успенский М.С. Осадка реперов в результате промерзания деятельного слоя многолетней мерзлоты // Труды ЦНИИГАиК.- вып. 135. -М.: Недра, 1960.- с. 89 - 96.

62. Успенский М.С. Схематическая карта глубин промерзания и протаивания грунтов на территории СССР для установки глубины закладки центров и реперов // Сб. реф. ЦНИИГАиК. -М.: Недра, 1961.-№22, с. 12.

63. Успенский М.С. Условия устойчивости геодезических центров и реперов. -М.: Геодезиздат, 1958. - 95 с.

64.Успенский М.С. Вертикальные смещения земной поверхности под действием некоторых процессов нетектонического характера / Современные движения земной коры, М.: Изд-во АН СССР, 1963.- С. 144 - 148.

65. Ходаков П.А. Разработка проекта Альбома типов центров и реперов, «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка», Специальный выпуск, Москва 2006, с. 29 - 31.

66. Ходаков П.А., Примеры некоторых зарубежных геодезических центров

применительно к GPS-измерениям. «Геодезия и картография» 2006 г. №9, с. 15-1S.

67. Ходаков П.А., Басманов А.В., О состоянии геодезических пунктов в секторе Российской Арктики (на примере морей Лаптевых и ВосточноСибирского). Известия вузов. «Геодезия и аэрофотосъемка». - 2014. -№4. - , с. 29 - 31.

68. Ходаков П.А. Составление карты районирования территории Якутии для расчета глубины закладки геодезических центров и реперов. «Геодезия и картография» 2014 г. №11, с. 5-12.

бЯ. Ходаков П.А. Экспериментальная проверка состояния заложенных типов центров на территории Якутии «Геодезия и картография» 2015 г. №4, с. 22-26.

V0. Шерстюков А.Б. автореферат «Современные изменения термического состояния многолетней мерзлоты России и их возможные последствия для фундаментов зданий и технических сооружений».

Vl.Шерстюков А.Б. Изменения климата и их последствия в зоне многолетней мерзлоты России. - Обнинск: ГУ «ВНИИГМИ-МЦД», 2009. - С. 127.

V2. Шерстюков Б.Г. автореферат «Пространственные и сезонные особенности изменений климата в период интенсивного глобального потепления».

73.Ященко В.Р., Ямбаев Х.К., Геодезический мониторинг движений земной коры (по материалам Кавказского региона) - М.: Издательство МИИГАиК, 2007, - 208 с.

V4.Anderson R., Chin M., Cline M., Hoar D., Murray O., Stone W., National continuously station (national cors) site monumentation. National geodetic survey USA, 2000, 41 p.

V5.ACIA, Impacts of Warming Arctic: Arctic Climate Impact Assessment. Cambridge University Press, 2004, 140 p.

76. Beck I., R. Ludwig, M. Bernier, T. Strozzi, J. Boike «Vertical movements of frost mounds in subarctic permafrost regions analyzed using geodetic survey and satellite interferometry» Earth Surface Dynamics, 2015, р. 409-421.

77. Buttermilk: The Oldest Surviving Survey Mark [Электронный ресурс] // NOAA's 200th Celebration. URL:http://celebrating200years.noaa.gov/foundations/spatial/side1_spatial.ht ml (дата обращения 04.11.12)

78.Benchmark design and installation / W.Gatto, Geologist, of the Geological Sciences Branch, Research Division, U.S. Army Cold Regions Research and Engineering Laboratory, 1987, 73 р.

79.Cervelli, P. F.; Coombs, M. L.; Freymueller, J. T.; McGee, K. A.«Evidence for Magmatic Intrusion at Mount Spurr Volcano, Alaska, from GPS measurements» American Geophysical Union, Fall Meeting 2005

80.Demyanov G.V., Setmyagin R.,A., Basmanov A.A., Oshchepkov I.A., Popadyov V.V., Pozdnyakov A.V. «Development of the state gravity network in Russia»., TG-SMM 2013, pp. 152-158.

81.Franke, R. 1982. Discrete data smoothing interpolation by local splines. Journal "Computer and Mathematics with Appllications". Vol. 8. No. 4. pp. 273-281. Great Britain.

82. IPCC 2007 [Электронный ресурс] // URL: http ://unfccc. int/meetings/cop_13/items/4189. php (дата обращения 05.11.10)

83. Kienast G., Kaufmann V., «GEODETIC MEASUREMENTS ON GLACIERS AND ROCK GLACIERS IN THE HOHE TAUERN NATIONAL PARK (AUSTRIA)» 4th ICA Mountain Cartography Workshop, Vall de Nuria, Catalonia, Spain 30 September - 2 October 2004

84.Marking the Surveys—NOAA's Commemorative Marks [Электронный ресурс] // NOAA 200 Celebration. URL: http: //celebrating200years. noaa. gov/survey_marks/welcome. html. (дата обращения 07.11.12)

85. Mitas, L., H. Mitasova. 1988. Variational approach to interpolation. Journal

"Computer and Mathematics with Applications". Vol. 16. No. 12. pp. 983992. Great Britain.

86. Li Sheng «The Feasibility of Replacing Precise Levelling with GPS for Permafrost Deformation Monitoring» UNIVERSITY OF CALGARY 2005, p. 146

87. Li Sheng, Matthew Tait Elizabeth Cannon «DGPS LEVELLING AND MONUMENT STABILITY AT 70° NORTH» GEOMATICA Vol. 61, No. 1, 2007, pp. 19 to 27.

88. Little J.,Sandall H.,Walegur M.,Nelson F., «Application of differential global positioning systems to monitor frost heave and thaw settlement intundra environments»Permafrost and Periglacial Processes/ Volume 14, Issue 4October/December 2003 p. 349-357

89. Oliver, M. A. "Kriging: A Method of Interpolation for Geographical Information Systems." International Journal of Geographic Information Systems 4: 313-332. 1990.

90. Philip, G. M., D. F. Watson, "A Precise Method for Determining Contoured Surfaces". Australian Petroleum Exploration Association Journal 22: 205212. 1982.

91. http://resources.arcgis.com/ (дата обращения 07.11.16)

92.Ruotoistenmaki T., Lehtimaki J., «Geophysical and Geodetic Studies of Bedrock, Permafrost and Continental Ice in Queen Maud Land, Antarctica» Geophysica (2009), 45(1-2), р. 63-76.

93.Royle, A. G., F. L. Clausen, and P. Frederiksen. "Practical Universal Kriging and Automatic Contouring." Geoprocessing 1: 377-394. 1981.

94. SCOPE OF WORK GROUND SURVEYS [Электронный ресурс] // ngs.noaa.gov

URL: http: //www. ngs. noaa. gov/ContractingOpportunities/Grd_Survey_SOW_ V7A.pdf. (дата обращения 06.11.12)

95. Sibson, R. "A Brief Description of Natural Neighbor Interpolation," chapter 2 in Interpolating Multivariate Data. New York: John Wiley & Sons, 1981. 2136 p.

96. Steffen H., Müller J., Peterseim N., «Mass Variations in the Siberian Permafrost Region from GRACE» Geodesy for Planet Earth, 2011 p. 597-603

97. Survey Marks of USC&GS and NGS", George Leigh, published in the NGS OBSERVER Newsletter, Volume I, Issue 6, March 2003. 44 р.

98.The Arctic Coastal Dynamics Database: A New Classification. Scheme and Statistics on Arctic Permafrost Coastlines. Hugues Lantuit & Pier Paul Overduin & Nicole Couture. Estuaries and Coasts. 2012 p. 383400.

99. The long-term stability of survey monuments in permafrost. Matthew Taita, Brian Moormanb, Sheng Lia / Engineering Geology Volume 79, Issues 1-2, 3 June 2005, Pages 61-79

100. Joseph F. Dracup. Geodetic Surveys in the United States the Beginning and the Next Hundred Yeard [Электронный ресурс] // history. noaa URL: http://www.history.noaa.gov/stories_tales/geodetic4.html (дата обращения 08.11.12)

101. Jianliang Huang, Marc Veronneau «Canadian gravimetric geoid model 2010» © Springer 2013

102. Makan Abdollahzadeh, Mehdi Najafi Alamdari. «Application of Molodensky's Method for Precise Determination of Geoid in Iran-annotated» 2011.

103. Matthew Tait, Brian Moorman, Sheng Li., «The long-term stability of survey monuments in permafrost» Engineering Geology 79 (2005), р. 61- 79

104. NOAA Manual NOS NGS 1 «Geodetic Bench Marks» 1978, p. 58

105. Watson D. F., Philip, G. M., "A Refinement of Inverse Distance Weighted Interpolation" Geoprocessing 2:315 - 327. 1985.

106. Watson, D. Contouring: A Guide to the Analysis and Display of Spatial Data. London: Pergamon Press, 1992.

107. Y. M. Wang J. Saleh X. Li D. R. Roman. «The US Gravimetric Geoid of 2009 (USGG2009): model development and evaluation» © SpringerVerlag 2011.

108. 100 Years of Geodetic Surveys in Canada [Электронный ресурс] // nrcan.gc. URL: http://www.nrcan.gc.ca/earth-sciences/geomatics/geodetic-reference-systems/canadian-spatial-reference-system/9110 (дата обращения 21.01.13)