Технология высокоточных геодезических измерений при оценке деформаций земной поверхности в Восточной Сибири: на примере Северомуйского геодинамического полигона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.32, кандидат технических наук Тюшевский, Евгений Юрьевич

• Тюшевский, Евгений Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тюшевский, Евгений Юрьевич

Обозначения и сокращения.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Анализ состояния применения высокоточного нивелирования и геодезических координатных определений при изучении геодинамики земной поверхности. Постановка вопросов.

1.1 Состояние изучения динамики земной поверхности традиционными геодезическими методами.

1.2 Предпосылки использования спутниковой геодезии при оценке динамики смещения земной поверхности.

1.3 Выводы, постановка вопросов.

2. Совершенствование методики высокоточного нивелирования с учетом применения электронных приборов.

2.1 Планирование и развитие опорной высотной сети реперов для ведения повторного нивелирования.

2.2 Обработка и уравнивание результатов нивелирования.

3. Обоснование методики проведения и обработки результатов спутниковых координатных определений.

3.1 Методика планирования и производства измерений.

3.2 Обработка и уравнивание результатов спутниковых измерений.

4. Методика интерпретации комплекса повторных результатов геодезических измерений.

4.1 Построение картосхем вертикальных движений земной поверхности.

4.1.1 Методы определения скоростей движения.

4.1.2 Графическое представление результатов повторного нивелирования.

4.1.3 Составление графиков накопления разностей превышений и скоростей между циклами повторного нивелирования.

4.1.3.1 Составление линейных графиков.

4.1.3.2 Построение пространственно-временных графиков вертикальных смещений и скоростей.

4.2 Построение картосхем плановых смещений пунктов.

4.2.1 Векторное представление наблюдаемых деформаций.

4.2.2 Представление деформаций при уравнивании повторных спутниковых измерений.

5. Технология проведения высокоточных режимных геодезических работ в сейсмоактивных районах Восточной Сибири.

6. Результаты изучения геодинамических процессов на Северомуйском геодинамическом полигоне.

6.1 Физико-геологическая характеристика района работ, целевое назначение создания геодинамического полигона.

6.2 Поэтапное проведение комплекса геодезических повторных измерений на полигоне.

6.3 Результаты измерений по циклам.

6.4 Комплексная оценка динамических характеристик плановых и высотных смещений земной поверхности и их интерпретация.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология высокоточных геодезических измерений при оценке деформаций земной поверхности в Восточной Сибири: на примере Северомуйского геодинамического полигона»

Актуальность темы исследования. Информация о динамике земной поверхности природного и техногенного характера была и остается важнейшей в аспекте прогнозирования её негативных последствий. Аномальные проявления неустойчивости земной поверхности (землетрясения, извержения вулканов, проседание грунта в районе выработки полезных ископаемых и др.), вызывают вертикальные и горизонтальные сдвиги, разломообразование, провалы. При этом страдают не только инженерные сооружения и здания, неся за собой громадный экономический ущерб, но и возможны невосполнимые человеческие жертвы. Эти обстоятельства (происшествия) со всей очевидностью демонстр иру ют 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 выполнить 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. Весомый вклад в решение задач изучения геодинамических процессов по геодезическим и гравиметрическим данным внесли множество ученых как отечественных, так и зарубежных [1].

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 применительно к условиям района исследования;

- 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 являлся 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 (2007г., 2008г.);

- по линии высокоточного нивелирования 1 класса Усть-Кут-Новый - Уоян, на участке Дабан-Холодная-Новый-Уоян 2005-2006 годов (полевые работы Восточносибирского Аэрогеодезического предприятия);

Информационная база исследования. Использованы данные из научных книг, статей, монографий, материалов научного конгресса « ГеоСибирь», материалы отраслевого журнала «Геодезия и картография», 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 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.

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 изменение 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 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 устойчивость природно-технических систем на ней, и возможность оперативного регулирования процесса режимных наблюдений для своевременного выявления негативных движений земной поверхности, прогнозирования их негативных последствий.

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 Севёромуйском 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 2006г.), международного научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2007» (г.Новосибирск), региональных конференциях в ИрГТУ (г. Иркутск, 2006г., 2007г.). По теме диссертации опубликованы четыре статьи, в том числе одна в реферируемом издании, утвержденных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и списка используемой литературы из 56 наименований. Общий объем работы составляет 124 страниц, включающих 15 рисунков, 8 таблиц, 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Геодезия», Тюшевский, Евгений Юрьевич

Заключение

В результате проведения диссертационных исследований выполнено следующее:

• Проанализирована изученность сейсмоактивных районов традиционными методами и состояние развития новых методов и технологий в изучении ДЗП. Показана 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 как наиболее приемлемого из нашедших применение в практике работ цифрового нивелира Trimble Dinil2, 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, представленной 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 обработки их результатов апробированы на примере территории Северо-Муйского ГДП, являющегося составной частью регионального Северобайкальского ГДП.

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

Результаты диссертационных исследований позволяют сделать следующие выводы и 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 3040%, 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 спутниковые технологии позволяют создавать сети разного уровня и вести мониторинг в любых погодных условиях как в цикличном, так и в непрерывном режиме. 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 обеспечивает 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 состояние 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. Продолжение комплексных геодезических наблюдений 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 Северо-Муйского, Кондинского, Удаканского) в единый общий полигон.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тюшевский, Евгений Юрьевич, 2009 год

1. Колмогоров В.Г., Колмогорова П.П. Современная кинематика земной поверхности юга Сибири. Новосибирск: Наука, Сиб. Отд-ние, 1990. - 153 с.

2. Рыльке С.Д. 1894. Каталог высот русской нивелирной сети с 1871 по 1893 г. Предисловие ген.-лейт. Стебницкого. СПб. Изд. Военно-топографического отдела Генерального штаба. 106 с.

3. Вировец A.M. 1948. Уравнивание основной нивелирной сети СССР. -Сб. научно-техн. и произв. статей, вып. XVII. М., Геодезиздат, с. 36-44.

4. Герасимов А.П. 1930. Медленные движения суши и их изучение. Труды Второго геодезического совещания. М., Планхозгиз, с. 127-138.

5. Еремеев В.Ф., Юркина М.И. 1972. Теория высот в гравитационном поле Земли. М.: Изд. «Недра». 145 с.

6. Мещерский И.Н. 1975. Из истории создания исходного пункта нивелирной сети СССР. Геодезия и картография, № 3, с. 72-75.

7. Павлов Н.А. 1940. Исследования влияния рефракции на результаты нивелирования в производственных условиях, (под редакцией проф. В.В. Данилова) // Сборник № 9. Исследования по геодезии, ЦНИИГАиК, М., Геодезиздат, 71-123.

8. Рытов А.В. 1944. Государственная сеть высокоточного и точного нивелирования. Сб. научно-техн. и произв. статей, вып. V. М., Геодезиздат, с. 38-49.

9. Судаков С.Г. 1948. О введении единой системы геодезических координат и высот на территории СССР. — Сб. научно-техн. и произв. статей, вып. XVII. М., Геодезиздат, с. 5-21.

10. Тамме Л.Я. 1971. Передача высот «Кронштадт — Ломоносов» методом гидростатического нивелирования. Геодезия и картография, № 5, с. 30-35.

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

12. Энтин И. И. Высокоточное нивелирование // Труды ЦНИИГАиК.-1956. Вып. 111.: М., Геодезиздат. 340 с.

13. Вовк, И.Г. Вариации гравитационного поля при изменении уровня водохранилища Текст. / И.Г. Вовк // Геодезия и картография. 1982. — № 9. -С. 12-15.

14. Вовк, И.Г. Математическое моделирование переменного гравитационного поля земли в геодезии Текст.: автореф. дис. на соиск. учен, степ, д-ра. техн. наук., Вовк Игорь Григорьевич. Новосибирск, 1996. 37 с.119.

15. Герасименко М. Д. Проектирование и обработка измерении с применением собственных значений матриц. — Владивосток: Дальневосточный ун-т, 1983. — 224 с.

16. Гольдин С. В. Физика «живой» земли. Проблемы геодезии XXI века Текст. : В 2 кн. / С. В. Гольдин; отв., ред.А. В. Николаев, М.: Наука, 2003. -311 с.

17. Гуляев Ю.П. О геодезическом мониторинге природно-технических систем и оптимальном конструировании точности его топографо-геодезической основы Текст. / Ю.П. Гуляев. Е. Астр. Васильев // Геодезия и картография. — 2001.-№ 4.-С. 5-9.

18. Еремеев В. Ф., Звонов В. Н. О системе высот нивелирной сети СССР ЦНИИГАиК, 1953.- 175 с.

19. Демьянов Г.В. Концепция современного развития системы нормальных высот Текст. Г. В. Демьянов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -003.-№3.-C.3-20.

20. Есиков Н.П. Тектонофизические аспекты анализа современных движений земной поверхности, М., Наука, 1979.

21. Каленицкий А.И. Геодезическо-гравиметрический мониторинг техногенной геодинамики инженерных сооружений Текст. / А.И. Каленицкий // Геодезия и картография. 2000. - № 8. - С.24 - 27.

22. Колмогорова П. П., Колмогоров В. Г. Современные движения земной коры в южной части Байкальской рифтовой зоны и в сопредельных областях //Тектоника Сибири.-М.:Наука, 1976,-С. 229-233.

23. Кузьмин Ю.О. Проблема идентификации деформационных процессов в современной геодинамике. В кн. Труды Международного научного конгресса «Гео-Сибирь-2007» (25-27 апреля 2007 г.), Новосибирск:. СГГА, 2007. - том 1, часть 2, С. 250-255.

24. Изотов А.А. О геодезических методах изучения движений земной коры // Изв.вузов. Геодезия и аэрофотосъемка.- 1963. Вып.1. С. 5 - 10.

25. Мещеряков Ю.А. 1972. Рельеф СССР (Морфоструктура и морфоскульптура). Предисл. Акад. И.П. Герасимова. М.: «Мысль», 519 с.

26. Мещеряков 10. А. Вековые движения земной коры // Современные движения земной коры.— М.: Изд-во АН СССР, 1063.— № 1. С. 3 — 20.

27. Мещеряков Ю. А. Рельеф и современная геодинамика Избр. тр. -М.: Наука, 1981. -278 с. 278 с.

28. Молоденский М. С. Новые методы изучения фигуры Геодезия и картография. М.: Недра, 1957.- № 11.- С.5 - 10.

29. Панкрушин В. К. Математическое моделирование и идентификация геодинамических систем: монография Текст. / В. К. Панкрушнн; отв. ред. В. А.Середович. Новосибирск: СГГА, 2002.- 423 с.

30. Пеллинен JI. П. Высшая геодезия (Теоретическая геодезия) Текст. / JI. П. Пеллинен М.: Недра, 1978.- 264 с.

31. Серебрякова Л.И., Ходаков П.А. О постановке работ на прогнозных геодинамических полигонах // Геодезия и картография. 2006. - №5. - С.27 -35.

32. Серебрякова Л.И., Кузнецов Ю.Г. Геодезия и прогноз землетрясений // Геодезия и картография. 2005. - №2. - С.9 - 18.

33. Фотиади Э. Э., Есиков Н. П., Бочаров Г. В. и др. Тектонофизическое районирование ноны сочленения Алданского щита и Станового нагорья по данным геодезических измерений // Геология и геофизика. 1982. - №3. — С. 3 — 14.

34. Цыба Е. Н. Изучение геодинамических процессов на основе использования непрерывных спутниковых измерений в глобальных геодезических сетях // Геодезия и картография -2007.-№2. -С.49-55.

35. Основные положения о государственной геодезической сети Российской Федерации, (ГКНП (ГИТА) -01-006—3, М., ЦНИИГАиК, 2004.

36. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. В 2 тт. Т. 1 Текст. / К.М. Антонович. — М.: Картгеоцентр,2006. 360 с.

37. Евстафьев О.Е. Нивелиры от оптических до электронных //Геопрофи- 2003-№1 с.42-45.

38. Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов Роскартографияю. М.,Картгеоцентр-Геодезиздат, 2004, 244 с.

39. Уставич Г. А., Шаульский В. Ф., Винокурова О. И. Разработка и совершенствование технологии государственного нивелирования I, II, III и IV классов // Геодезия и картография. 2003. - №7. - С. 10 - 15; №8. - С. 5 -И.

40. Соболева Е. JL, Теплых А.Н., Хоменко Т.А. Влияние перемещения наблюдателя на положение штатива при выполнении высокоточного нивелирования цифровыми нивелирами // Геосибирь-2006.

41. Шалыгина Е.Л., Влияние перемещения штатива и измерения угла i на результаты высокоточного нивелирования цифровыми нивелирами // Геодезия и картография. — 2005. №5. — С. 15 — 17.

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

43. Ворошилов А.П. Спутниковые системы и электронные тахеометры в обеспечении строительных работ: Учебное пособие. — Челябинск: АКСВЕЛЛ, 2007.-163с.

44. Руководство по созданию и реконструкции городских геодезических сетей с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS Текст. М.: ЦНИИГАиК 2003. 182 с.

45. Методика и программы преобразования геодезических координат между системами WGS-84 и 1942 года, ЦНИИГАиК, МАГП, Москва, 1996 г.

46. География России: Энциклопедический словарь / Гл. ред. А.П.Горкин.— М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 1998. — 800 е.: ил., карты.

47. Несмеянов С. А. Инженерная геотектоника.— Москва: Наука, 2004.— 779 с.

48. Живая тектоника, вулканы и сейсмичность Станового нагорья / Солоненко, В. П., Тресков, А. А., Курушин, Р. А. и др.— Москва: Наука, .1966.— 231 с.

49. Разломы и сейсмичность Северо-Муйского геодинамического полигона / Саньков В. А., Днепровский Ю. И., Коваленко С. Н. и др. -Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1991. 111с.

50. Графическая схема съе Северобайкальского Г£ с нанесенными тектони1. Условные обозначения

51. Тектонический разлом Предполагаемый тектонический разлом Д Пункт ВГС1. Пункт СГС-1мочной геодезической сети П по измерениям на 2008 год