НЕПРЕРЫВНЫЙ МОНИТОРИНГ СМЕЩЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЛЕКСОВ СПУТНИКОВОЙ ГЕОДЕЗИИ GPS
А.А. Панжин
Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург
Работа выполнена при поддержке РФФИ

Под непрерывным мониторингом смещений и деформаций земной поверхности понимается длительное инструментальное наблюдение за изменением пространственных координат реперов наблюдательной станции и пространственно-геометрическиими связями между ними во времени с интервалом между дискретными определениями от одной секунды до нескольких десятков минут. Данный вид мониторинга используется как для изучения геомеханических процессов, происходящих в верхней части земной коры, вызванных природными или техногенными факторами, так и для наблюдений за деформациями крупных инженерно-технических сооружений, попадающих в область влияния как техногенных, так и природных геомеханических процессов. В отличие от существующих на сегодняшний день видов мониторинга, когда производятся моментные измерения величин смещений и деформаций с периодичностью от одного до нескольких раз в год, непрерывный мониторинг позволяет детально изучить кратковременные процессы, проистекающие в верхней части земной коры. Период таких процессов составляет от нескольких сотых герц до одного герца, что не позволяет производить их изучение традиционными методами.

Для непрерывного мониторинга смещений и деформаций земной поверхности наиболее целесообразно использование комплексов спутниковой геодезии GPS, так как они имеют ряд преимуществ перед традиционными геодезическими методами. Во-первых, геодезические наблюдения с применением GPS оборудования можно проводить в любое время суток, при любой погоде и при отсутствии прямой видимости между реперами. Во-вторых, мониторинг смещений и деформаций возможно производить практически без непосредственного присутствия оператора, управляя приборами либо по кабельной связи, либо по радиоканалу, либо заранее задавая необходимые параметры для работы оборудования в автоматическом режиме. В третьих, в результате мониторинга в заранее заданный момент времени одновременно определяются все три координаты точки стояния прибора; в случае, когда мониторинг ведется тремя или более GPS приемниками, образуются жесткие пространственные геометрические связи с другими реперами мониторинговой GPS сети, на которых в данный момент времени производятся измерения.

На начальной стадии развития спутниковых геодезических навигационных систем для определения координат репера с сантиметровой точностью требовалось производить измерения в течении как минимум одного часа. Однако к настоящему времени развитие GPS технологии достигло такого уровня, что стало возможно определять пространственные координаты любых объектов с миллиметровой точностью. Современные комплексы спутниковой геодезии способны принимать и обрабатывать данные с частотой обновления до 20 герц, достигая точности 1 см, а при длительном мониторинге точность может быть увеличена до 0.1 мм. Полностью цифровая технология GPS съемки позволяет вести автоматическое протоколирование хода работ. В настоящее время существую технологические решения, позволяющие в режиме реального времени определять пространственные координаты и ориентацию крупногабаритных конструкций в гражданском, морском и речном строительстве, определять координаты и ориентацию относительно движущейся базы, определять взаимное положение и ориентацию нескольких движущихся объектов и др. Однако вышеперечисленные системы используются для решения специфических задач, имеют высокую стоимость, требуют больших затрат труда и времени на монтаж и демонтаж. К тому же точность таких систем, определяющих координаты в режиме реального времени составляет 1-2 см.

Учитывая вышесказанное, для проведения непрерывного мониторинга смещений и деформаций земной поверхности наиболее целесообразно использовать GPS приемники геодезического класса, с помощью которых, при соблюдении определенных условий, можно достичь миллиметровой точности определения координат реперов наблюдательной станции. Основным неудобством применения этого вида оборудования является необходимость непосредственного участия оператора в процессе съемки. Стандартные методики полевых работ, предлагаемые фирмой-изготовителем, требуют постоянного ввода с клавиатуры контроллера данных о типе съемки, имени точки, высоты антенны и др. Для проведения полевых работ непрерывного мониторинга смещений и деформаций с минимальным участием полевого оператора были разработаны соответствующие методики и программное обеспечение для камеральной обработки результатов измерений. В нашем случае накопление данных идет в один файл данных, в котором в процессе постобработки, в зависимости от применяемого способа определения координат реперов наблюдательной станции, соответствующим образом расставляются временные и символьные метки, определяющие начало и окончание дискретного определения координат, тип съемки, имена точек, высоты антенн и др. Очевидное удобство данного способа организации полевых работ состоит не столько в том, что накопление данных происходит в автоматическом режиме, но в том, что накопленные данные можно в дальнейшем обработать различными способами, то есть способ съемки может задаваться уже после выполнения полевых работ, что во многих случаях бывает очень важным.

  Еще одним важным аспектом использования спутниковых навигационных систем для непрерывного мониторинга смещений и деформаций является необходимость более тщательного планирования места и времени работ. Если при выполнении рядовых геодезических работ с использованием GPS аппаратуры ошибки при учете факторов, ослабляющих точность определения координат (такие как многолучевой ход сигнала, высокий коэффициент геометрического ослабления точности и др.) не приведут к отбраковке результатов полевых работ, то для более точных мониторинговых съемок эти ошибки будут иметь решающее значение.

Определения координат реперов наблюдательной станции для непрерывного   мониторинга смещений и деформаций, в зависимости от требуемой точности и интервала между измерениями могут быть выполнены тремя способами. Наименьший интервал времени между дискретными измерениями - от одной десятой секунды и точность до одного сантиметра обеспечивает метод непрерывной кинематики. В этом случае для определения пространственных координат точки требуется только один раз решить задачу пространственной засечки. Основным достоинством этого способа является высокая частота определения координат - до 10 герц. К недостаткам этого способа следует отнести, во-первых, его невысокую точность - до 10 мм в плане и до 15 мм по высоте (см. рис.), а во-вторых, невозможность аргументированной отбраковки некачественных измерений, которые могут выглядеть как смещения исследуемой точки.

Более точный кинематический метод "стой и иди" требует более продолжительного времени наблюдений для определения координат репера. В этом случае производится многократное решение задачи пространственной засечки. При проведении непрерывного мониторинга эти способом точность определения координат репера возрастает до 3-4 мм. Еще одним достоинством этого метода является то, что в процессе камеральной обработки становится возможным не только отбраковать некачественные единичные измерения, но и определив причину брака, обработать некачественные измерения заново. К недостаткам этого метода следует отнести высокую трудоемкость камеральных работ при подготовке данных и постобработке результатов съемки.

Наиболее точным и надежным методом определения пространственных координат репера является быстро- статический. Технология проведения данного вида съемки требует накопления данных в течение минимум 10 минут. Точность определения координат, обеспечиваемая этим методом, достигает 2 мм. Большой объем данных, накапливаемых во время наблюдений, гарантирует получение во время камеральной обработки с минимальными трудозатратами качественных и надежных результатов. Основным недостатком данного метода является его низкая чувствительность к кратковременным проявлениям процесса сдвижения. В этом случае автоматически происходит сглаживание результатов измерений.

Описанные методы непрерывного мониторинга смещений и деформаций земной поверхности перед внедрением их в практику были неоднократно опробованы на испытательных полигонах с расстояниями между реперами от 10 м до 2 км. Во время этих испытаний была отработана технология полевых и камеральных работ, определена точность и надежность каждого из методов. При апробации методов в промышленных условиях - ведении многодневного непрерывного мониторинга смещений и деформаций земной поверхности в районе динамически напряженной зоны г. Сургут впервые были получены уникальные результаты о характере проявления кратковременных динамических деформаций верхней части земной коры.

В заключение следует отметить, что вышеописанные методики ведения непрерывного мониторинга смещений и деформаций еще далеки от совершенства. В настоящее время ведется активная работа по снижению трудоемкости полевых и камеральных работ, повышению точности и надежности определения координат реперов, методик интерпретации полученных результатов.