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

Докукин, Петр Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка методик анализа движений и деформаций по спутниковым наблюдениям в локальных геодезических сетях
ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Разработка методик анализа движений и деформаций по спутниковым наблюдениям в локальных геодезических сетях"

На правах рукописи

Докукин Петр Александрович

—Л

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК АНАЛИЗА ДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПО СПУТНИКОВЫМ НАБЛЮДЕНИЯМ В ЛОКАЛЬНЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Специальность 25.00.32 - Геодезия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2008

003453776

Работа выполнена в Государственном университете по землеустройству (ГУЗ) на кафедре геодезии и геоинформатики

Научный руководитель:

доктор технических наук Кафтан Владимир Иванович Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Прилепин Михаил Тихонович кандидат технических наук, доцент Федосеев Юрий Евгеньевич

Ведущая организация:

Институт астрономии Российской академии наук (ИНАСАН)

заседании диссертационного совета Д212.143.03 при Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) по адресу: 105064, г. Москва, Гороховский переулок, д.4, МИИГАиК, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК)

Автореферат разослан « _ 200_г.

Защита диссертации состоится

200 & г. в ГО часов на

Ученый секретарь (И^Ьиимо!

Диссертационного совета Климков Ю.М.

Актуальность диссертационной работы. Интенсивное внедрение современных спутниковых технологий в геодезическую деятельность сегодня все в большей мере требует разработки новых и совершенствования существующих подходов к решению традиционных геодезических задач. Высокая точность и оперативность спутниковых геодезических методов позволяет получать несоизмеримо большие чем прежде объемы полезной информации, что заставляет совершенствовать современные компьютерные технологии, технические средства и программное обеспечение. Сегодня требующим наиболее высокой точности и оперативности измерений является такое геодезические направление, как наблюдения за движениями и деформациями земной поверхности. Это научное и технологическое направление крайне актуально, в связи с возрастанием числа природных и техногенных катастроф, которые наблюдается во всем мире. Данная диссертационная работа направлена на совершенствование и развитие геодезических методов исследования движений и деформаций земной поверхности с помощью современных спутниковых и компьютерных технологий

Цель диссертационной работы: Расширение области применения спутниковых технологий для решения геодинамических задач, повышение точности и эффективности определения характеристик движений и деформаций земной поверхности на основе использования спутниковых геодезических измерений, что особенно актуально в связи с одной из главных экономико-политических задач развития системы ГЛОНАСС. Основные задачи исследования:

1. Изучение современного состояния проблемы (представлений о современных геотектонических движениях, опыта работы на геодинамических полигонах, программных средств математической обработки спутниковых геодезических измерений).

2. Разработка методики определения движений и деформаций земной поверхности по результатам спутниковых геодезических измерений.

3. Апробирование методики и получение новых эмпирических характеристик движений и деформаций земной поверхности и их изменений во времени.

4. Анализ временных изменений определяемых характеристик с целью получения новой количественной информации о геодинамических процессах и явлениях. Научная новизна работы. В результате работ по теме диссертации получены

оригинальные научно-технологические результаты, методики обработки и анализа

спутниковых геодезических измерений, их обоснование, оценки точности и эффективности, характеристики движений и деформаций, а также их изменений во времени в различных регионах мира в связи с сильнейшими сейсмическими событиями. Составлена компьютерная программа определения смещений и деформаций земной поверхности по результатам спутниковых геодезических измерений

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

Апробация работы. Основные положения и тезисы исследований докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

1. Сагиговские чтения 31 января - 1 февраля 2005 года, ГАИШ МГУ, Москва, 2005.

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

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

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

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

6. Международная геологическая конференция «Изменяющаяся геологическая среда», Казанский государственный университет, Казань, 13-16 ноября 2007 г. Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 статей, в том числе 3 - в

рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 132 страницы основного текста, 63 рисунка, 7 таблиц и список литературы из 83 наименований, в том числе 37 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе на основании изучения литературных источников рассмотрены современные геодезические методы изучения движений и деформаций земной поверхности, а также связанные с ними катастрофические природные явления. Сделаны выводы о том, что существующие в российской практике методы анализа движений и деформаций земной поверхности по геодезическим данным ориентированы на классические линейно-угловые измерения. Недостаточно внимания уделяется задачам регистрации предвестников землетрясений и созданию специальных геодезических построений в составе геодинамических полигонов (ГДП) Выполнен сравнительный анализ возможностей современных коммерческих и научных программных продуктов обработки результатов спутниковых геодезических измерений. Программы фирм-производителей спутниковой геодезической аппаратуры не имеют средств обработки повторных спутниковых измерений с целью анализа деформаций, за исключением научных пакетов программ, рассчитанных на обработку глобальных сетей, где предусмотрено определение скоростей движений геодезических пунктов В то же время наиболее высокая точность и детальность определения деформаций земной поверхности возможна сегодня лишь в локальных геодезических построениях, обработку которых осуществляют именно стандартными пакетами программ фирм-производителей спутниковой геодезической аппаратуры.

Результаты исследований первой главы определили направленность последующей работы на решение задач геодеформационного мониторинга с использованием локальных спутниковых геодезических построений.

Вторая глава посвящена разработке методик определения векторов смещений и вычисления деформаций земной поверхности по результатам спутниковых геодезических измерений.

При обработке измерений в стандартных программах получают векторы базовых линий сети Ах' (индекс-штрих означает измеренное значение вектора, а также номер цикла повторных измерений в сети из п пунктов) в пространственной глобальной системе отсчета (\VGS84) и их ковариационные матрицы (¿¡х. Соответствующие вектор и ковариационная матрица в общем случае для первого цикла измерений имеют вид-

ДЛО '4 XX, Ч' XV, Ч'ха 0 0 0 '

д}; Ч'гг, 0 0 0

Ч'хг, Ч'гг, 1'гА 0 0 0

■ &г =

0 0 0 я'хх. Ч'хг. Ч'хг.

< 0 0 0 1'хг. Ч'гг. Ч'гг.

0 V 0 0 Ч'хг. Я'п. 4п.,

Вектор разностей /= ЛХ'-ЛХ" (между первым и вторым циклами) принимаем в качестве свободного члена уравнений поправок Ковариационная матрица разностей / равна сумме ковариационных матриц первого и второго циклов = + 0,^..

Приступаем к уравниванию разностей повторных спутниковых наблюдений и определяем векторы пространственных смещений <Жс оценкой их точности:

ах = -(Лг0-'ЛГ лт&4 = -д^ь (2)

Вид матрицы А коэффициентов уравнений поправок зависит от схемы сети и состоит из единиц и нулей; число ее строк равно утроенному числу базовых линий, число столбцов - утроенному числу пунктов сети. Строка каждой компоненты базовой линии содержит 1 для элемента с номером у пункта, на который направлен пространственный вектор, и -1 для элемента с номером пункта с которого определяется направление вектора базовой линии. Из аналогичных подматриц для каждой из базовых линий составляется полная матрица уравнений поправок. Так как неподвижные пункты сети на данном этапе неизвестны, решение (2) представляет собой свободное уравнивание с использованием псевдообратной матрицы. Получив это решение, оценку точности векторов пространственных смещений получаем по формуле:

«л,=^аг

Для проверки эффективности определения векторов смещений геодезических пунктов в предлагаемой методике используется дисперсионное отношение.

„ хтМх

у'РУ

(3)

С использованием (3) можно проверить статистическую гипотезу о равенстве дисперсий и пользуясь критерием Фишера оценить соответствующую доверительную вероятность Для нашего случая при числе степеней свободы к= 6 и 1% доверительном пределе можно полагать, что при значениях /^>8.47 гипотеза о равенстве дисперсий

ошибок и искомых смещений опровергается, т.е. характеристики смещений статистически значимо превышают ошибки измерений

На этом этап уравнивания спутниковых измерений завершается, и приступают к дифференциальному описанию пространственных деформаций.

В диссертации использован подход раздельного анализа плановых и высотных компонент деформаций. Это обусловлено тем, что, во-первых, непосредственное описание деформаций в трехмерной геоцентрической системе отчета неудобно для их интерпретации и сравнительного анализа (теряется наглядность результатов анализа), и, во-вторых, недостаточно высокая на сегодняшний день точность определения высот из спутниковых измерений по сравнению с определением плановых компонент не позволяет эффективно использовать весь объем измерительной информации для трехмерного описания (ошибки высот будут нежелательно искажать результаты определения пространственных характеристик) Векторы смещений, полученные из уравнивания свободной сети, отнесены к системе отсчета с началом в центре тяжести пространственных координат пунктов данной сети Хт, Ут, Zm, поэтому для раздельного анализа плановых и вертикальных деформаций удобно использовать топоцентрическую систему отсчета с началом в той же точке и его новыми координатами Е0, Ыц 1/0. В данном случае координаты Е„ £/„ отнесенные к плоскости, касательной к поверхности некоторого эллипсоида, центр которого совпадает с началом первоначальной пространственной системы координат, а касание его поверхности с плоскостью новых координат происходит в точке с координатами Хт Ут, 2т , будут определяться следующей формулой;

Гх -х 1

(4)

- Л'„"

N, - г Y, -¥т

и, z, -z.

где г - матрица вращения имеет вид

-sin£0 cos L,¡ О

-sinS0cosL0 -sin50sin¿0 cos S„ cosB0cosí„ cosBijSinL,, sinB0

Координата U, представляет собой расстояние от координатной плоскости Е„ N, до данной точки по нормали к этой плоскости. В0, Lo - геодезические широта и долгота точки с координатами Хш Ут, Zm. Формула (5) применяется как для преобразования координат пунктов, так и для их смещений.

Для последующей оценки точности искомых деформационных характеристик получим ковариационную матрицу топоцентрических векторов смещений пунктов

Он = Ь,0,х/1 (5)

где - ковариационная матрица пространственных компонент смещений, полученная из уравнивания разностей спутниковых измерений (2), а - матрица частных производных функций плоских смещений сШ„ с1Ыи <Ш, от соответствующих пространственных трехмерных аргументов АХ, А У, А2

Теперь, имея значения компонент плоских двумерных векторов смещений сШ, и <Ш„ получим формулы описания плановых деформаций в треугольниках контрольной сети. Для каждого треугольника в плоской прямоугольной системе имеем значения координат его вершин Е„ Ы, и горизонтальных смещений с!Е„ с1Ы„ полученных из уравнивания повторных спутниковых измерений. Плановые деформации сдвига у/, дилатации Д и вращения со получим по формулам О.М.Остача, адаптированным для применения в предлагаемой топоцентрической системе Е„ ЛГ„ (/,., т.е. их соответствующих плановых компонент.

гМ-АЛГ* "^23 Щ, Д£13 -А-А£,г1 Г2г=[Д£2] -ДЛГв -ЛЯ,, ДЕп -ДЛГ12],

ЛГ=[-ДЛГИ ДЯ23 длг„ -Д£,з -ДЛГ12 АЕп\

с! =

>1~ с

У2 с Г¡1,

А, с т,

со с п[1.

(6)

ПГ=^[Д£И ДЛ^ -&Е„ -ДЛГ13 АЕп ДЛГ12], /г=[<ж, сШ, иЕг <Ш3 ¡т,\

с = [(£,- Е, )(ЛГ, -//,)-(£з - )(ЛГ2 - ЛГ,)]

(7)

В формулах (7) индексы 1=1, 2 и 3 являются номерами вершин соответствующего треугольника, пронумерованных по ходу часовой стрелки.

Деформации максимального и минимального растяжения получаем по формулам

Азимут главной оси деформаций определяется выражением

Ъ.

(8)

(9)

Оценку точности компонент деформаций в пределах каждого треугольника выполняем путем получения их ковариационной матрицы:

(ю)

где ()ск - ковариационная матрица топоцентрических компонент векторов смещений. Матрица частных производных искомых компонент деформаций по аргументам плановых смещений будет иметь вид

'с

с г2г,

с ,

с пг

Далее определяем СКО компонент деформаций по формуле

Получим формулы для оценки точности деформаций максимального -минимального растяжения и азимута их осей, как функций от четырех главных деформационных характеристик.

Сформируем матрицу функцию для характеристик Е,,Е2 и &„

' ь. Ь_

б£.е=Л,е&ЛГе. ГДе дв= ' "

1 0

2 у 2 у 2

Уг Л. 2 / 2/

0 0

Тогда

"Че = ^в.в11- (11)

Представленный алгоритм реализован в специальной компьютерной программе 1)ЕР04 (блок-схема дана на рис. 1), составленной с использованием среды программирования МаЙаЬ У.6.5 для вычисления смещений и деформаций в контрольных спутниковых геодезических сетях, представляющих собой геодезический четырехугольник.

Программа 0ЕР04 выдает четыре текстовых файла: enumenu.txt (содержащий параметры векторов смещений е, п, и и их ошибки те, тп и тш данных последовательно для пунктов 1, 2, 3 и 4), ele2dwmtxt (содержащий параметры деформаций земной поверхности £/, Е2, А, со и их ошибки тЕ1,Е2, тл и тш, данных последовательно для треугольников 132, 234, 134 и 142), tetamtet.txt (содержащий углы О и их ошибки те, данных последовательно для треугольников 132, 234, 134 и 142) и mil2mi.txt (содержащий ошибки единицы веса Цс™ и цразн).

СОСТАВЛЕНИЕ уравнений ПОПРАВОК'

СТАТИЧЕСКОЕ УРАВНИВАНИЕ 1-ГО ЦИКЛА

СТАТИЧЕСКОЕ УРАВНИВАНИЕ Z ГО ЦИКЛА

УРАВНИВАНИЕ РАЗНОСТЕЙ

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ В ТОПОДЕИТРИЧЕСХУЮ СИСТЕМУ ОТСЧЕТА fW

ВЫЧНС ПЕНИ Е ЛЕФОР М А ЦНЙ A. EL «I

' OiJtHKA ТОЧНОСТИ ДЕ ФОРМАЦИИ

ПЕЧАТЬ ТЕКСТОВЫХ ФАЙЛОВ

ппатъ rPA^lfiEt'KllX 1У1Л'.

Рис, I Алгоритм программы определения смещений и деформаций 0ЕР04

Кроме текстовых файлов программа строит графические схемы векторов Смещений и главных деформаций (примеры даны на рис. 2 ¡1 3).

» т

•V ■■—ч\ \ «м ;

'JXX ЯМ

\ -

Рис. 2. Векторы горизонтальных смещении в результате землетрясения Пар кф ил д. Жирной линией показано примерное расположение сейсм ore иного разрыва разлома Сан-Андреао. Векторы смещений сопровождаются эллипсами ошибок.

■Л -О в О4 Э< 9 О? О* рв 1т Ю

Рис. 3, Плановые деформации вблизи очага землетрясения Паркфнлд. Жирной линией показано примерное расположение сейсмо генного разрыва разлома Сан-Андреас.

Реальные размеры эллипсов ошибок имеют масштаб в 10 раз меньший, чем на рисунке, так как в едином масштабе векторов и эллипсов последние становятся нечитаемыми из-за их малости по сравнению с векторами.

Для апробации предлагаемых методик в разных частях света были выбраны три контрольных геодезических сети

Первая сеть расположена в сейсмотектонической зоне Южной Калифорнии; она перекрывает разлом Сан-Андреас и эпицентральную зону землетрясения Паркфилд (М=6.0). Вторая сеть является частью сети постоянно-действующих пунктов Новой Зеландии; она расположена в непосредственной близости от сейсмогенерирующих глубоководных желобов, в системе которых произошло одно из сильнейших землетрясений нашего столетия (М=8 1), на трое суток ранее Суматранского мега-землетрясения (М=9.1) Оба эти землетрясения приурочены к границе одной и той же Индо-Австралийской глобальной тектонической плиты и, возможно, имеют взаимную генетическую связь. Третья сеть специально отобрана в сейсмически спокойных условиях и сформирована четырьмя пунктами ФАГС России, расположенными в Московском регионе.

Для анализа деформаций на разломе из архива SOP АС были получены суточные файлы спутниковых измерений (каждые демятые сутки за 2004-2006 годы) на пунктах masw, hunt, pkdb и lows, образующие геодезический четырехугольник. В результате вычислений по программе DEF04 получены параметры векторов смещений для каждого из пунктов сети, параметры деформаций земной поверхности и оценки точности и эффективности определения искомых характеристик. По вычисленным значениям построены графики их изменений во времени (рис.4—10).

За единицу веса принята одна из трех пространственных компонент вектора смещений геодезического пункта; значения ее СКО, полученные из уравнивания, устойчиво группируются вблизи 3 мм за исключением одного случая, когда значение составило 47 мм. Проверка эффективности определения движений и деформаций осуществлена с использованием дисперсионного критерия (3). Для всего ряда определений векторов смещений получены значения F, изменяющиеся в диапазоне от 7.7 до 517659 3. Явно выражается различие дисперсионных отношений в интервалах наблюдений до и после землетрясения, так до землетрясения отношения изменяются в интервале 7.7-150, а после землетрясения их значения достигают величин 104-105.

Естественно, что после сейсмического «вспарывания» разлома смещения достигали первых дециметров, а точность их определения составляла менее сантиметра. В период до землетрясения дисперсионные отношения могут считаться статистически значимыми при доверительной вероятности не менее 0.95, что демонстрирует достаточно высокую надежность разработанной методики. Интересным моментом оценки точности наблюдений в Калифорнийской сети является особенность, связанная с получением максимальной СКО единицы веса ц = 47 мм практически на следующие сутки после одного из сильнейших землетрясений 2006 года (М=7.7) в Индонезии (Южная Ява). В тоже время, сильнейшие Суматранские землетрясения 2004 и 2005 годов в изменениях СКО единицы веса не проявились, как это происходило в других рядах наблюдений в Московской и Новозеландской сетях.

Результаты определения векторов смещений представлены на рис.4-5. Максимальным изменениям подвержены горизонтальные смещения пунктов masw, hunt, pkdb, расположенных в непосредственной близости от сейсмогенного разрыва. Момент землетрясения Пакфилд показан на рисунках вертикальной линией. Выявленный тип смещения по разлому - горизонтальный сдвиг соответствует поведению разлома Сан-Андреас за историческое время

"°1оо4 20045 20О5 20055 ЯОв 23065 MS "%М »045 »05 20055 2006 20065 2W

I ч

2«К5 ЮТ5 20055 2006 20065 Ж | ЯМ WM 5 2005 2»В5 2006 2005 5 200Г

••200. 2М5 2005 2005S 21« 20065 Ш . »*5 2005 2005 5 200« 20Ж5 ОТ

01, , , I • t .

| pkdb

%Д4£ Э005 2005.5 Й0в 2X55

Рис 4. Изменение компоненты £ для пунктов Калифорнийской сети

2005 2С05 5 2006

Время (гоны)

Рис.5 Изменение компоненты N для пунктов Калифорнийской сети

Графическое представление горизонтальных деформаций в контрольной сети представлено в виде графиков изменений векторов смещений и деформаций (рис. 6-9), где вертикальные отрезки при каждой точке представляют доверительный интервал ±2т. Они не показаны в тех случаях, когда их было невозможно выразить в едином с

основными характеристиками масштабе из-за их малости, это относится к характеристикам, связанным с Паркфилдским землетрясением.

8 2004 5 2003 2005 3 2006 2Э0С 3 2С07

&T71SJ7~200.. 200. 6 ¡/¿¡Т^-яаГ-яёГШГйа ,<¿2 2<«« зоо.в 5«ГГ5ю жобь

I о"-n¿iÍ4V^,//*lff

Й - I J-

Í004 2004 2 2004 4 2004 6 2004 в 2ВД4 3 2003 2005 3 2С06 2306 5 2007 Dl-lU« .ГОПЫ1

Рис 6 Изменение параметров деформаций Рис.7. Изменение параметров деформаций для треугольника та5\у-1о\У5-ркс1Ь для треугольника та5\у-рк(1Ь-11им

"5 t"

1 hTvr, * t' 4'-

"^¡j04 2004 2 2004 4 2004B 2C04 в 2^045*2005 2005 5 2006 20C6 5 2007 2004 2004 2 2004 4 2СЮ46 2004 8 VfA 5 J005 2005 5 2006 2006 5 200Í

•1 2

1 •J 4 ,.•!} I

-IS

2004 2004 2 20044 2004Б 2C04 8 2004 3 2005 2005 5 2006 2006 5 2007 2004 2004 2 2004 4 2004 6 2004 6 2C04 3 2005 2005 3 2006 2»6 5 2007

< o-5-lJL,

I .,0 5 ,

2M4 2004 2 20C4 4 2004 6 2C04 в 2004 3 2005 20035 2006 20063 20C 2004 2004 2 2004 4 2004 6 2004 6 2004 5 20O5 2005 5 2006 2006 5 2007 ВРШЯ (ГОДЫ) В1-Ы4Л (ГОДЫ}

Рис 8 Изменение параметров деформаций Рис 9. Изменение параметров деформаций для треугольника masw-lows-hunt для треугольника hunt-lows-pkdb

Для анализа деформаций в районе Новозеландского землетрясения была использована контрольная геодезическая сеть, состоящая из пунктов mast, paek, wgtn, parw. Из вычислений в программе DEF04 получены вектора смещений пунктов, параметры деформаций земной поверхности, результаты оценки точности и эффективности.

Соответствующие значения F получены в интервале от 4.6 до 485.3. Если исключить из полученного ряда только одно значение F= 4.6, то соответствующий диапазон составит 44.1 - 485 3. Таким образом, все полученные оценки векторов

смещений значительно превышают соответствующие случайные ошибки, за исключением суток 2004.986

На рис. 10 показан график изменения ошибок единицы веса, на котором были отмечены сильнейшие землетрясения, происходящие в интервале времени определения смещений земной поверхности.

0 025

S 0 02

0 V

1 0 015

А З-S

I 0 01

О)

1 0 005 з о

2004 5 2004 6 2004 7 2004 8 2004 9 2005 20051 2005 2 2005 3

Время (годы)

Рис.10. Сравнение результатов оценки точности определения векторов смещений (моменты сильнейших землетрясений мира и ближайшего к сети землетрясения на Южном о-ве Новой Зеландии с М=7.1 показаны стрелками с указанием магнитуд)

На рис. 10 видно, что скачок в значениях произошел на следующие сутки после сильнейших землетрясений в районе Суматры 26.12.2004 г. (М=9,0), и в районе о-ва Маккуари 23.12 2004 г (М=8.1).

В результате обработки получены ряды векторов смещений и параметров деформаций. На рис. 11 приведен график изменения компонент деформаций для треугольника mast-paek-wgtn, где после серии сильнейших сейсмических событий наблюдаются значимые на уровне ошибок колебания.

Для анализа деформаций в Московском регионе из архива SOPAC были получены суточные файлы спутниковых измерений на пунктах mdvj, zve2, mobn и engl, расположенном на крыше здания ЦНИИИГАиК. В программе DEF04 были вычислены векторы смещений пунктов, параметры деформаций, получены оценка точности и эффективности, по вычисленным значениям построены графики их изменения во времени (рис 12-14).

2005 3

Рис. 11. Изменение параметров деформаций для треугольника mast-paek-wgtn 0 04

^ ооз

I 0 02

I 0 01

2004 5 2005 2005 5 2006 2006 5 2007

Время (годы)

Рис.12. Сравнение результатов оценки точности определения векторов смещений (моменты сильнейших землетрясений мира показаны стрелками с указанием магнитуд)

Проверка эффективности определения смещений показала, что соответствующие значения критерия Р изменяются в пределах от 7 до 260 Это означает, что не все значения превышают 1%-ный доверительный предел ^<¡¿=8.47, в то же время, полученные значения превышают 5%-ный доверительный предел /^»-=3.9. Это говорит о меньшей эффективности анализа смещений земной поверхности в Московской сети по сравнению с Калифорнийской и Новозеландской сетями. Однако с доверительной вероятностью 0.95 гипотеза о равенстве дисперсий отвергается, и определяемые характеристики могут отражать реальные движения земной поверхности.

£ 5

5 <

% о

-5-

г- U Пч'

2004 5 2004 6 2004 7 20С4 8 2004 9 2005 2005 1 2005 2

^ т ^jilip^J !

2004 5 2004 6 2004 7 2004 8 2004 Э 2005 2005 1 2005 2 _Х10*

5Г о-

г""- / J_L.

2004 5 2004 6 2004 7 2004 8 2004 9 2005 2005 1 2005 2 ВР1МЯ(ГОДЫ)

Характер изменения горизонтальных смещений во времени не демонстрирует особенностей, явно связанных с сильнейшими землетрясениями. В то же время вертикальные смещения (рис.13) показывают интересный характер изменений, в связи с третьим сильнейшим землетрясением в Индонезийском регионе (М=8.6). Через первые сутки после землетрясения пункты mdwj, engl и mobn опустились по отношению к пункту zve2 в среднем на 8 см, что особенно четко проявляется в изменениях вертикальных смещений пункта zve2 СКО вертикальных смещений в данном случае более чем втрое меньше соответствующих смещений.

Характер деформаций внутри треугольника mdvj-mobn-zve2 показан на рис. 14.

01,—

о -

.01----

2004 5 01--

та

ь -01L i 2004 5

Я1 91 8« 71 ♦___i--*

2005

2005 5

80 77

Jt__,t_

MDVJ

" 200В года 5 ~""" 2007

L *

f-J_.-^i-S-f ' »

ZVE2

2005

2005 5

2006

MOBN

2005 5 200S

Время (годы)

2007

Рис. 13 Изменение компоненты U для пунктов четырехугольника

6 5

£ <

I 0

-¡¡Г

гоо< 5 хю'

; о <

I -5

2004 5 Х10'

^ 05

I 0

I -0 5

-1

Л—.1

XI /Н^Ш

\/ I

^ 1 ^ -

2005 2005 5

2006 2006 5

К.

2004 5 2005 2005 5 2006

Ви мя (годы)

2306 5 2007

Рис.14. Изменение параметров деформаций для треугольника тёу)-тоЬп-2Уе2

Исследования и разработки в рамках тематики данной главы диссертации позволили сделать следующие основные выводы и предложения.

• Разработаны методики, алгоритм и программа деформационного анализа результатов СРНС измерений - векторов базовых линий и их ковариационных матриц, предварительно получаемых с использованием стандартных программ, что является важным расширением возможностей применения спутниковых геодезических измерений в геодинамических исследованиях. Работоспособность и эффективность методик и программы проверены на фактическом измерительном материале для разных территорий Земли. Показано, что точность определения компонент смещений изменяется в пределах 3 - 15 мм (за исключением трех аномальных случаев) для сетей с длинами базовых линий от 16 до 109 км.

• Методика уравнивания разностей измерений не продемонстрировала такого же эффекта, как у классических измерений, и показала практически одинаковую точность, как и у раздельной статической обработки циклов измерений. Тем не менее, принятый подход более удобен в реализации и не требует уравнивания собственно координат в единой геоцентрической или государственной системе, что является более сложной и громоздкой задачей.

• Дисперсионные отношения уровня деформаций к уровню ошибок показали, что методика обеспечивает надежное определение векторов смещений и деформаций земной поверхности. Полученные оценки дисперсионных критериев превышают 5%-ный доверительный интервал в подавляющем большинстве случаев в сотни и тысячи раз

• Исследование деформаций в Новой Зеландии в связи с сильнейшими землетрясениями 2004 года показало последующие аномальные характеристики движений и деформаций.

• Анализ многократных измерений в СРНС сети Московского региона продемонстрировал реальную возможность ее использования для изучения характера деформирования данной территории. Получены статистические обоснования гипотезы о связи наблюдаемых движений и деформаций с сильнейшими землетрясениями последних лет.

• Общая оценка полученных результатов позволяет предложить более широкое применение коротких базовых линий и геодезических четырехугольников непрерывных СРНС измерений для контроля движений и деформаций в контрольных сетях геодинамических полигонов Роскартографии

Третья глава диссертационной работы посвящена анализу и геолого-геофизической интерпретации наблюдаемых изменений элементов спутниковых геодезических сетей.

Обработка GPS измерений в сети, перекрывающей разлом Сан-Андреас, позволила получить новую информацию о характере смещений в связи со значительным землетрясением и оценить взаимное скольжение бортов «вскрытого» участка разлома (крип). Результаты обработки измерений в специально отобранном четырехугольнике по программе DEF04 показали некоторые особенности, рассматриваемые нами, как деформационные предвестники. Векторы смещений пунктов до землетрясения необычных тенденций не показали, однако в работах Рикитаке к наиболее убедительным прогностическим эффектам относятся явления переориентации осей главных деформаций в районе очага будущего землетрясения Разработанная в диссертации методика позволила проверить характер изменения деформаций в связи с Паркфилдским землетрясением.

Вычисление характеристик эффективности определения векторов смещений из обработки по предлагаемой во второй главе методике показало интересный результат, свидетельствующий о возможности наличия предвестника землетрясения нового типа (рис.15). Характер изменения F демонстрирует нарастание интенсивности и возможной упорядоченности деформаций за несколько месяцев до землетрясения, что может являться новым прогностическим признаком.

Время (годы)

Рис. 15. Изменения дисперсионных отношений F до (слева) и после (справа) Паркфилдского землетрясения. Стрелкой отмечен момент начала нарастания интенсивности деформаций по отношению к ошибкам их определения

Важной особенностью результатов наблюдений в районе Паркфилд является регистрация последующего после землетрясения крипа. Значения скоростей смещений пунктов hunt, masw и pkdb, расположенных на бортах разлома Сан-Андреас, были использованы для определения скорости крипа (из средних скоростей смещений пунктов masw и pkdb вычитались скорости движения пункта hunt), которая составила 44 мм/год, в то время как прежние характеристики крипа в других частях разлома изменялись в пределах 1 - 5 см/год.

Огромная энергия разрушительного Суматранского землетрясения (М=9,0) 26.12.2004 г., вызванного разрядкой напряжений в зоне столкновения Австралийской и Индийской глобальных тектонических плит с Евразийской плитой, навела на мысль о возможности регистрации его предвестников по спутниковым геодезическим данным, например, с использованием известной схемы Мещерякова. Для поиска и анализа предвестников из архива SOPAC были получены результаты спутниковых измерений на

пунктах IGS, удаленных на 2-3 тысячи км от эпицентра: iisc и Ьап2 (Индия) и nnor и pert (Австралия) на период с 9 05.2004 по 10 01.2005 года После обработки спутниковых измерений были построены графики изменения каждой компоненты базовых линий (dN, dE, dH и S) по времени

Были получены оценки скоростей изменений компонент базовых линий и осуществлена проверка гипотезы об их равенстве друг другу. В трех случаях установлено, что гипотеза не может быть принята, то есть изменения скоростей не могут быть объяснены случайными ошибками. Это особенно ярко проявилось для N компоненты индийской и S компоненты австралийской базовых линий. Так как главную роль в механизме землетрясения играет Австралийская плита (ее скорость перемещения на север оценивается более 5 см/год), вероятный предвестник для базовой линии pert-norr может иметь следующее объяснение. За 3-9 месяцев ориентированный субмеридионально отрезок испытывал слабое сжатие (3 мм/год), сменившееся растяжением (5 см/год), что соответствует фазе /? известной схемы Мещерякова. Для индийского отрезка, ориентированного по широте, аналогичная характеристика выявлена для N компоненты.

После включения в вычисления новой измерительной информации был построен график изменения компоненты S австралийской линии за полтора года (рис.16), на котором прослеживаются элементы схемы Мещерякова.

о«

0U5

г 0«

О) ч>

I 0CS к

0 g

1 0,3

0425

04?

9 апреля 18 июля 26 октября 3 февраля 14 мая 22 августа 30 ноября

2004 2004 2004 2005 2005 2005 2005

Рис. 16. Проявление предвестников Ю.А.Мещерякова для Новозеландского (М=8.0) и

Суматранских (М=9.0 и 8.3) землетрясений на примере изменения расстояния S Австралийской линии(стрелками показаны моменты землетрясений с их магнитудами)

Контроль точности измерений одиночных базовых линий не столь эффективен, как в сетях СРНС наблюдений, поэтому нами сделана попытка проверки реальности наблюдаемых деформаций, те. соответствия их временных изменений известным геотектоническим гипотезам Полученный в процессе работы над диссертацией эмпирический материал позволил выполнить экспериментальную проверку вопроса о первичности тех или иных компонент наблюдаемых деформаций, для чего были использованы две базовые линии - линия между пунктами сети GPS Австралии (pert и nnor) и линия mobn-mdvj Московской региональной геодеформационной сети. Характер взаимных изменений превышений и наклонных расстояний позволяет предположить их физическую и тектоническую природу, на что указывает оценка корреляции между данными характеристиками. В общем случае многокилометровые базовые линии пересекают несколько мелкоблоковых тектонических структур и соответствующих положительных и отрицательных форм рельефа. При сжатии-растяжении вдоль направления базовой линии должно происходить сокращение-удлинение измеряемого наклонного расстояния, из-за этого амплитуда вертикальных изменений форм рельефа должна увеличиваться-уменьшаться, если напряжения упругие Для проверки этого предположения были использованы статистические оценки взаимной корреляции превышений и соответствующих наклонных расстояний базовых линий, для чего были выполнены корреляционный и регрессионный анализы соответствующих временных рядов. Для каждой пары сопоставляемых рядов корреляционный анализ выполнен путем прямого сопоставления двух равночисленных рядов, и многократно путем сопоставления рядов одномоментных характеристик, удаляемых друг от друга последовательно на 1, 2, ...,70 суток, при этом в будущее смещались ряды изменений наклонного расстояния. Сопоставление полученных оценок показало, что учет временных смещений на трое суток приводит к значительному усилению корреляционной зависимости между исследуемыми рядами Австралийской линии -коэффициент корреляции увеличивается более чем в три раза и становится статистически значимым. Квазипериодическое поведение коэффициента корреляции и его отрицательное значение для Московского ряда не противоречат предположениям о зависимости вертикальных деформаций от горизонтальных и об их реальной физической природе. Оба ряда коэффициентов корреляции испытывают околопериодические изменения с периодами ~1 месяц и ~1.3 года, для Австралийского

и Московского временных рядов, соответственно, т.е. наблюдаются месячные и годовые периодичности, характерные, например, для приливных деформаций земной поверхности и Чандлеровского колебания оси вращения Земли.

Результаты анализа не противоречат гипотезе о зависимости вертикальных деформаций от горизонтальных растяжений/сжатий, геометрически представленную на рис.17, где продемонстрировано увеличение превышений 11 при сокращении расстояний Б между моментами времени Т[ и Т2.

Выполненные в рамках третьей главы исследования позволили сделать следующие выводы:

• Регистрация предвестников удаленных сильных землетрясений по наблюдениям коротких базовых линий GPS возможна.

• Анализ фактических измерительных данных в районе Паркфилдского землетрясения (2004) показал наличие деформационного предвестника за 7 месяцев до сейсмического события. Получены характеристики движений и деформаций разлома Сан-Андреас до, во время и после землетрясения. Оценен последующий крип вскрывшегося разлома, составляющий около 4 см/год.

Рис.17. Характер изменения превышений в зависимости от горизонтальных растяжений-сжатий.

• За 3 месяца до Суматранского землетрясения наблюдались аномальные изменения пространственных векторов двух коротких базовых линий.

• Между изменениями наклонных расстояний и соответствующих превышений отдельных базовых линий существует статистически значимая отрицательная корреляция, не свойственная случаю влияния ошибок измерений.

• В результате исследований определена временная задержка в изменениях превышений по отношению к изменениям наклонных расстояний Австралийской базовой линии, равная примерно 3 суткам. Полученные статистические оценки подтверждают гипотезу о первичности горизонтальных деформаций и свидетельствуют об обусловленности наблюдаемых изменений реальными геодинамическими процессами.

• Непрерывные ОРБ/ГЛОНАСС-измсрения на коротких базовых линиях позволяют получать оперативную информацию о геодинамической активности региона.

• Короткие базовые линии должны являться необходимым элементом комплексной сети современного геодинамического полигона Роскартографии.

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

К защите представляются:

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

• Методика определения деформаций на основе определяемых векторов смещений

• Алгоритм программы вычисления векторов смещений и деформаций земной поверхности

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

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

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

• Статистическое обоснование возможности регистрации предвестников сильных землетрясений по СРНС наблюдениям

Основные результаты опубликованы автором в следующих статьях:

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

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

3. Докукин П А. Определение временного центра пункта высокоточной геодезической сети GPS-измерениями // Землеустройство, кадастр и мониторинг. - 2006 - №2. - с. 104106

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

5. Батраков ЮГ., Докукин П.А. Разрешение неоднозначности радиодальномеров и спутниковых приемников // Геодезия и картография - 2006 - №6 - 19-24 с.

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

7. Кафтан В.И., Докукин П А. Определение смещений и деформаций по данным спутниковых геодезических измерений // Геодезия и картография. - 2007 - №9. - 18-22 с 8 Докукин П.А., Докукина К.А. Мониторинг современных экзогенных геологических процессов с использованием геологических и геодезических методов на примере территории научно-учебной базы «Горное» (Зарайский район Московской области) В сб.: Изменяющаяся геологическая среда: пространственные взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов: Материалы Международной конференции. Том 1: г. Казань; 13-16 ноября, 2007 г. / Сост. Н.Н.Равилова. - Казань: Изд-во Казанск. Гос. Ун-та, 2007. -31-35 с.

Заказ №252/10/08 Подписано в печать 20 10 2008 Тираж 100 зкз Уел пл 1,5

ООО "Цифровичок", тел. (495) 797-75-76, (495) 778-22-20 www.cfr.ru; е-тай:info@cfr.ru

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Докукин, Петр Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ

ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ. 1.1. Геодезические методы изучения современных тектонических движений и деформаций земной поверхности.

1.2. Геодезические методы и задача прогноза землетрясений.

1.2.1. Механизм и распространение землетрясений.

1.2.2. Методы прогнозирования. Схема Мещерякова.

1.3.3. Прогностические геодинамические полигоны.

1.3. Международные организации, архивы измерительных данных и программное обеспечение обработки спутниковых измерений с целью определения движений и деформаций.

1.3.1. Международная служба IGS.

1.3.2. Архив данных спутниковых наблюдений Международного центра

SOP АС.

1.3.3. Современные программные продукты обработки СРНС измерений.

1.3.3.1. Коммерческое программное обеспечение.

1.3.3.2. Научное программное обеспечение.

1.4. Выводы по главе 1.

2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ДЕФОРМАЦИЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ НАБЛЮДЕНИЙ В СПУТНИКОВЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ СЕТЯХ.

2.1. Разработка методики определения векторов смещений земной поверхности.

2.3. Разработка методики определения деформаций по спутниковым наблюдениям с учетом корреляционных зависимостей.

2.3.1. Обоснование выбора нового подхода.

2.3.2. Установление локальной пространственной системы отсчета.

2.3.3. Определение плановых деформаций.

2.4. Анализ тектонических деформаций земной поверхности.

2.4.1. Разработка программы вычисления смещений и деформаций.

2.4.2. Деформации на разломе Сан-Андреас.

2.4.3. Деформации, связанные с Новозеландским землетрясением.

2.4.4. Тектонические деформации Московского региона.

2.5. Выводы по главе 2.

3. ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ НАБЛЮДАЕМЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ СПУТНИКОВЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ СЕТЕЙ.

3.1. Анализ особенностей регистрации смещений в связи с землетрясением Паркфилд.

3.2. Анализ предвестников Суматранских мега-землетрясений 2004 года.

3.3. Проверка гипотезы о физическом механизме наблюдаемых деформаций.

3.4. Выводы по Главе 3.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методик анализа движений и деформаций по спутниковым наблюдениям в локальных геодезических сетях"

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

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

Число человеческих жертв от землетрясений за последнее шестидесятилетие

Десятилетия Число человеческих жертв

1 1950-1960 9423

2 1960-1970 49948

3 1970-1980 431109

4 1980-1990 54232

5 1990-2000 105263

6 2000-2007 436417

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение Диссертация по теме "Геодезия", Докукин, Петр Александрович

Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в научно- технических журналах и сборниках статей и докладов.

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

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

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

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

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

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

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

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

Опробование результатов выполнено на научных конференциях и семинарах:

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

К защите представляются следующие результаты работ.

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

• Алгоритм программы вычисления векторов смещений и деформаций земной поверхности.

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

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

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Докукин, Петр Александрович, Москва

1. Аллисон А., Палмер Д. Геология. Наука о вечно меняющейся Земле: пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - 568 с

2. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Элементы математического моделирования в программных средах MATLAB 5 Scilab.- СПб.: Наука, 2001,- 286 с.

3. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. В 2 т. Т2. Монография. ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». -М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2006 360 с.

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

5. Белоусов В.В. Геотектоника, М.: Издательство Московского университета, 1976

6. Бовшин Н.А., Зубинский В.И., Демьянов Г.В., Кафтан В.И., Майоров А.Н., Шестернев И.Р., Временное руководство по обработке спутниковых наблюдений при построении основных геодезических сетей (проект). ЦНИИГАиК, 2000. с. 4-41

7. Вегенер А. Происхождение континентов и океанов.- Л.: Наука, 1984.- 285 с.

8. By Иилин. Зона аномалий деформаций земной коры перед сильными землетрясениями, Тезисы докладов 7-го международного симпозиума по современным движениям земной коры, АН ЭССР, Таллин, 1986 г. стр. 34-35

9. Геодезические методы изучения деформаций земной коры на геодинамических полигонах (Методическое руководство).- М.: ЦНИИГАиК, 1985.- 113 с.

10. Геологический словарь. В 2 т., М.: «Недра», 1973

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

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

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

14. Есиков Н.П. Современные движения земной поверхности с позиций теории деформации.- Новосибирск, Наука, Сиб. отделение, 1991,- 226 с.

15. Кафтан В.И. Анализ устойчивости геодезических пунктов и определение векторов смещений земной коры // Геодезия и картография.- 1986.- №5.- С. 9-13

16. Кафтан В.И. Временной анализ геопространственных данных: Кинематические модели, Автореферат дисс. на соиск. ученой степени доктора технических наук, МГУПС, Москва, 2003, 48 с.

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

18. Кафтан В.И., Серебрякова Л.И. Геодезические методы решения геодинамических задач (современные движения земной коры), М., ВИНИТИ -Геодезия и аэросъемка, 1990.

19. Короновский Н.В. Общая геология, Издательство Московского университета, 2003

20. Коуба Я. Об особенностях GPS-измерений // Геодезия и картография. 2004. - №9. - с.27-28.

21. Кучай В.К., Захаров В.К. Геодезическая основа для изучения современной динамики Земли.// Геология и геофизика, № 5, 1984 "Наука", АН СССР, Сиб. отд., с. 17-24

22. Мельников А.Ю., Докукин П.А. Исследования точности измерения расстояний спутниковой геодезической аппаратурой фирмы Javad / Актуальные вопросы землепользования, землеустройства и кадастров: Сборник статей. М.: МГИУ, 2007. - с. 205-211

23. Методы прогноза землетрясений. Их применение в Японии / Асада Т., Исибаси К., Матсуда Т. и др. Под ред. Т. Асада. М: Недра, 1984.- 312 с.

24. Мещеряков Ю.А. Изучение современных вертикальных движений земной коры и проблема прогноза землетрясений. Сб. «Современные движения земной коры», М, 1968, №3.

25. Моги К. Предсказание землетрясений.- М.: Мир, 1988.- 383 с.

26. Муха B.C., Слуянова Т.В. Статистические методы обработки данных: Лабораторный практикум. — Мн.: БГУИР, 2004. — 98 с.

27. Остач ОМ. О развитии геодезических работ на геодинамических полигонах // Геодезия и картография.- 1983.-№1.-с. 19

28. Прилепин М.Т. Использование глобальных спутниковых систем для изучения деформаций земной коры./У'Динамика континентальной литосферы' Подвижные пояса. Под ред. Н.А.Логачева и В.С.Хромовских. М., Недра, 1994.

29. Прилепин М.Т. Концепция использования глобальных спутниковых систем для прогноза землетрясений // Вестн. ОГГГГН РАН: Электр, науч.-инф. журн. 1998. № 1(3). С. 202-213.

30. Рикитаке Т. Предсказание землетрясений.- М.: Мир, 1979.- 389 с.

31. Рихтер Ч.Ф. Элементарная сейсмология.- Москва: Издательство иностранной литературы, 1963.- 671 с.

32. Романовский В.И. Применение математической статистики в опытном деле. М.-Л., Гостехиздат, 1947

33. Смирнов Н.В., Белугин Д.А. Теория вероятностей и математическая статистика в приложении к геодезии. — М.: «Недра», 1969, 379 стр.

34. Состояние и перспективы развития геодезических работ в сейсмоопасных районах для целей сейсмологии и сейсмостойкого строительства, М, ОНТИ ЦНИИГАиК, 1976, 29 стр.

35. Стеблов Г.М., Фролов Д.И., Куксенко B.C. Кинематика движения материков Земли // Физика твердого тела, 2005, том 47, вып.6, с. 1009-1014

36. Татевян С.К. Использование спутниковых позиционных систем для изучения региональной геотектоники // Кинематика и физика небесных тел — 1999 -№1, ГАО, Киев, Украина,

37. Татевян С.К., Кузин С.П., Ораевская С.П. Использование спутниковых позиционных систем для геодинамических исследований. // Геодезия и картография. 2004 - № 6. - с. 33-44.

38. Татевян С.К. Роль космической геодезии в изучении современной геодинамики / Тезисы Международной научно-технической конференции "МИИГАИК-220", 1999, М.: МГУГИК, с. 10.

39. Татевян С.К. Роль спутниковых локационных измерений в изучении современной геодинамики. / Сб. Изучение Земли из Космоса, М.: Наука, 1999, №1, стр. 87.

40. Уломов В.И. О роли горизонтальных тектонических движений в сейсмогеодинамике и прогнозе сейсмической опасности // Физика Земли. — 2004.-№9.-с. 14-30

41. Хаин В.Е., Ломизе М.Г. Геотектоника с основами геодинамики: Учебник. -М.:КДУ, 2005-560 с.

42. Шароглазова Г.А. Применение геодезических методов в геодинамике. Учеб. Пособие. Новополоцк: ПТУ, 2002. - 192 с.

43. Aydan О. Implications of GPS-derived displacement, strain and stress rates on the 2003 Miyagi-Hokubu earthquakes // Bulletin of Earth Sciences Application and Research Centre of Hacettepe University, 30, 2004, pp. 91-102

44. Bock Y.L., Prawirodirdjo T.I. Melbourne Detection of arbitrarily large dynamic ground motions with a dense high-rate GPS network, Geophys. Res. Lett., Vol. 31, L06604, 2004

45. Deformation of the North American plate interior from a decade of continuous GPS measurements / E.Calais, J.Y.Han, C.DeMets, J.M.Nocquet // Journal of geophysical research, vol. Ill, 2006

46. Erol S., Erol В., Ayan T. A General review of the deformation monitoring techniques and case study: analyzing deformations using GPS/Levelling -http://www.isprs.org/istanbul2Q04/comm7/papers/123.pdf

47. Even-Tzur G. GPS vector configuration design for monitoring deformation network in the north of Israel // Sessioin IV: Earth crustal deformation, earthquakes, and regional movements http://rincon.gps.caltech.edu/FIG10svm/pdf/Session%20IV Paper%204.pdf

48. Fotiou A., Kagiadakis V., Pikridas C., Rossikopoulos D. Geodetically derived displacements and crustal deformation analysis: application in the Volvi area // Proceedings, 11th FIG Symposium on Deformation Measurements, Santorini,

49. Greece, 2003 http://www.fig.net/commission6/santorini/A

50. TECTONOPHYSICS%20&%2QSEISMOLOGY/A3.pdf

51. Frank F.C. Deduction of earth strain from survey data // Bull. Seismol. Soc. Am.-1966, Vol.56.- p.35-42

52. Haslinger C., Stangl G. Time Series of GPS Stations in the Near East / Report on the Symposium of the IAG Sub-commision for Europe (EUREF) held in Vienna, 1-4 June 2005. Publication No. 15, Franfurt am Main, 2006, p.98-101

53. Hickman S., Zoback M., Ellsworth W. Introduction on special section: Preparing for the San Andreas Fault Observatory at Depth. Geophys. Res. Lett., 31, L12S01, 2004

54. Jade S., Mukul M., Parvez I.A., Ananda M.B., Dileep Kumar P., Gaur V.K. Estimates of coseismic displacement and post-seismic deformation using Global Positioning System geodesy for the Bhuj earthquake of 26 January 2001

55. Ji C., Larson K.M., Tan. Y, Hudnut K.W., Choi K. Slip history of the 2003 San Simeon earthquake constrained by combining 1-Hz GPS, strong motion, and teleseismic data, Geophys. Res. Lett., Vol. 31, LI7608, 2004

56. Johnson K.M., Burgmann R., Larson K. Frictional Properties on the San Andreas Fault Near Parkfield, California Inferred from Models of Afterslip Following the 2004 Earthquake / Revision submitted to BSSA Special Volume on Parkfield January 26, 2006

57. Kaftan V.I., Krainev M.B. Estimation of the effect of solar activity on the intensity of galactic cosmic rays.- Geomagnetism and Aeronomy.- 2007.- V.47.-No 2-p.137-148

58. Kaftan V.I., Ostach O.M. Vertical land deformation in Caucasus region, Earthquake Prediction Research.- 1996.- Vol.5, 235-245

59. Kontny В. Tectonic movements monitoring of Sudetic marginal fault using short GPS baselines, 2001

60. Kouba J. A Guide to using International GPS Service (IGS) products / Geodetic Survey Division Natural Resources Canada, 2002

61. Kouba J., Ray J., Watkins M.M. IGS reference frame realization / IGS Analysis Center Workshop, Darmstadt, Germany, Feb. 9-11, 1998 http://gauss.gge.unb.ca/IGS/drafts/posp3.pdf

62. Lambeck K., Smither C., Ekman M. Tests of glacial rebound models for Fennoskandia based on instrumented sea- and lake-level records.- Geophysical Journal International.- 1998.- V.135.- 375-387

63. Langbein J., Bock Y. High-rate real-time GPS network at Parkfield: Utility for detecting fault slip and seismic displacements / Geophys. Res., 31, L15S20, doi:10.1029/2003GL019408, 2004

64. Langbein, J. Evaluation of some software measuring displacement using GPS in real-time: U.S. Geological Survey Open-File Report 2006-1235, 35 p. http://pubs.usgs.gov/of/2006/1235

65. Larson К. M. Resolving Seismic and Early Postseismic Deformation: The 2003 Tokachi-Oki Earthquake / Department of Aerospace Engineering Sciences University of Colorado Boulder, USA http://xenon.colorado.edu/larson eps2007.pdf

66. Murray, J. R., Segall P. Spatiotemporal evolution of a transient slip event on the San Andreas fault near Parkfield, California, J. Geophys. Res., 110, 2005

67. O'Keefe K., Fortes L.P. Using Permanent GPS Stations to Detect the 2001 Nisqually Earthquake, 2001

68. On the Use of Space Techniques far Asia-Pacific Regional Crustal Movements Studies, Moscow, GEOS, 2003. 269 p.

69. Ostach O.M., Pellinen L.P. Some results of crustal deformation studies carried out at geodinamic testing grounds of GUGK / 6-th Int. Symp. Geod. And Phys. Earth, Potsdam, Aug. 22-27, 1988: Abstr., Berlin. 1989.- P.64

70. Present-day crustal deformation and plate kinematics in the Middle East constrained by GPS measurements in Iran and northern Oman // Geophys. J. int. 157, 2004. -p.381-398.

71. Smith B.R., Sandwell D.T. A model of the earthquake cycle along the San Andreas Fault System for the past 1000 years, J. Geophys. Res., Ill, B01405, doi: 10.1029/2005JB003703.

72. Surveying with Global Positional System (GPS) / R.W.King, E.G.Masters, C.Rizos, A.Stolz, J.Collins. Ferd. Dummer Velag, Donn, 1987, pp. 128.

73. Terada Т., Miyabe N. Deformation of the earth crust in Kwansai districts and its relation to the orographic feature.- Bull. Earthquake Res., Inst., Univ.- Tokyo, 1929, Vol. 7.- 223

74. Tsuboi C. Investigation on the deformation of the earth's crust found by precise geodetic means // Jap. J. Astron. Geophys.- 1933, Vol.10.- 93

75. Zhang K., Hu Y., Liu G., Wu F., Deakin R. Deformation monitoring and analysis using Victorian regional CORS data // Journal of Global Positioning Systems (2005) Vol. 4, No. 1-2: 129-138

Информация о работе

Докукин, Петр Александрович
кандидата технических наук
Москва, 2008
ВАК 25.00.32

Диссертация

Разработка методик анализа движений и деформаций по спутниковым наблюдениям в локальных геодезических сетях - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы