Введение к работе
Актуальность проблемы: Одним из результатов все более интенсивного освоения недр стало глобальное изменение экологической и геодинамической безопасности природной среды. Известно, что интенсивная добыча полезных ископаемых привела к увеличению нагрузки на недра и, как следствие, к изменению напряженно-деформированного состояния (НДС) весьма значительных объемов горных массивов с неблагоприятными последствиями для окружающей природной среды. В процессы деформирования горных пород и земной поверхности вовлекаются все большие и большие территории, при этом деформации, возникающие вследствие неравномерных оседаний и горизонтальных сдвижений, могут повлечь аварийные ситуации, которые, в свою очередь, не только могут нанести вред окружающей среде и режиму работы предприятия, но также и человеческим жизням. В связи с этим, вопросы мониторинга процессов деформирования земной поверхности в регионах с интенсивной техногенной нагрузкой на недра приобретают все более актуальное значение.
В настоящее время мониторинг деформационных процессов больших территорий осуществляется, как правило, традиционными маркшейдерско-геодезическими методами, такими как высокоточное нивелирования и высокоточные спутниковые наблюдения. Эти методы, являясь своего рода эталонными, требуют больших материальных и временных затрат. Кроме того, оперативность получения информации на основе данных методов является достаточно низкой, т.к. для получения информации о динамики развития деформационных процессов требуется выполнение постоянных серий наблюдений и постоянная постобработка их результатов.
Метод мониторинга процессов оседаний с использованием данных радиолокационной съемки с синтезированной апертурой начал свое развитие более чем 17 лет назад. Данный метод дает преимущество перед классическими методами мониторинга сдвижений, такими как нивелирование и метод глобального позиционирования, в гораздо большей площади охвата интересующей производство и исследователя территории. В последние годы данный метод начинает приобретать популярность и в нашей стране. В частности, исследования применимости данного метода для мониторинга значительных по площади территорий были начаты в 2007 году в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ). Исследование вопросов, касающихся получения качественных результатов мониторинга сдвижений земной поверхности на основе интерферометрической радиолокационной съемки представляется актуальным и составляет основу настоящей диссертации.
Цель работы – разработка теоретических и практических основ мониторинга районов с интенсивной нагрузкой на недра по результатам интерферо-метрической обработки данных космического радиолокационного зондирования.
Идея работы заключается в разработке комплексного подхода для получения точных данных об оседаниях точек земной поверхности с использованием данных космического радиолокационного зондирования.
Задачи исследований:
-
Обоснование методов решения проблемы определения наиболее достоверных величин сдвижений земной поверхности на основе спутниковой радарной интерферометрии;
-
Определение оседаний земной поверхности для конкретных регионов методом спутниковой радарной интерферометрии;
-
Разработка обобщенной методики определения оседаний земной поверхности районов с интенсивной нагрузкой на недра по результатам интерферо-метрической обработки данных космического радиолокационного зондирования.
Методы исследований включали сопоставление результатов оседаний, полученных методами интерферометрической обработки радарных данных, и точечного анализа постоянных отражателей на основе радарной космической съемки с данными традиционных высокоточных геодезических методов; статистическую обработку радарных данных; аналитические исследования по повышению точности получаемых оседаний.
Научные положения, защищаемые в работе.
-
Алгоритм выявления остаточных фаз в сценах, основанный на строго последовательной компоновке интерферограмм для точечного анализа, как инструмент определения погрешности вычисленных величин оседаний.
-
Методика оценки и исключения грубых ошибок развертывания фазы в интерферограмме, основанная на применении замыкающихся цепочек расчетов, обеспечивающая контроль надежности обработки результатов мониторинга.
-
Методическая схема учета комплекса факторов (плотности точек, скорости процессов оседаний, необходимой точности результатов), позволяющая получать надежные и достоверные сведения об оседаниях земной поверхности в результате мониторинга методом радарной интерферометрии.
Научная новизна работы.
-
Разработан метод обработки данных интерферометрической космической радиолокационной съемки, позволяющий выявлять величины оседаний больших площадей техногенно нагруженных территорий с вычисленной погрешностью, не уступающей высокоточным геодезическим методам.
-
Установлено, что интерпретация графиков колебаний точек на основе ин-терферограмм позволяет выявить фактическое относительное высотное положение точек местности в любой момент во время серии космической интерфе-рометрической съемки.
-
Доказано, что два и более строго последовательных решения для точечного интерферометрического анализа позволяют оценивать и исключать влияние грубой ошибки развертывания фазы в интерферограмме, и ошибки, связанной с влиянием атмосферы, и как следствие повышать качество и надежность сведений об оседаниях.
Практическая значимость.
Использование данных радиолокационной космической съемки дает возможность оперативного выявления участков концентрированных деформаций земной поверхности и организации в этих зонах детальных высокоточных маркшейдерско-геодезических наблюдений. Мониторинг оседаний земной поверхности методом радиолокационной интерферометрии может быть успешно использован при прогнозировании мест возникновения опасных природно-техногенных явлений. Высокая частота цикличности интерферометрического мониторинга дает возможность наиболее детально и оперативно отслеживать изменения скоростей оседаний земной поверхности с оценкой точности выполненных расчетов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается высокой корреляцией результатов оседаний земной поверхности, полученных на основе интерферометрической обработки радиолокационных данных, с данными точного нивелирования тех же объектов наблюдений; соответствием выявленных зон оседаний с картами выработанного пространства и картами падения пластового давления; использованием общепризнанных методик обработки радиолокационных изображений и построения интерферограмм; высокими оцененными характеристиками точности и погрешности проделанных расчетов.
Реализация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы реализованы в научных и хоздоговорных работах по оценке деформированного состояния земной поверхности на территории Верхнекамского месторождения калийных и калийно-магниевых солей (ОАО «Сильвинит»), Астраханском газоконден-сатном месторождении, Жирновском и Кулешовском нефтяных месторождениях, на нефтепроводных системах ОАО «Нарьянмарнефтегаз», а также в ходе выполнения работ по двум международным грантам с Отделом научного сопровождения TerraSAR-X Германского центра авиации и космонавтики.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались в рамках научного сотрудничества между ПНИПУ и Техническим университетом г. Брауншвейга в Институте геодезии и фотограмметрии (Брауншвейг, Германия, 2012 г.), на международной конференции «Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства» (Санкт-Петербург, 2011), на III международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений» (Екатеринбург, 2010), всероссийской конференции «Новые технологии в маркшейдерии и недропользовании» (Пермь, 2010), научно-технических семинарах кафедры Маркшейдерского дела, геодезии и геоинформационных систем ПНИПУ, региональной научно-практической конференции с международным участием «Геология и полезные ископаемые Западного Урала» (Пермь, 2012), всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Глубокие карьеры»
(Апатиты, 2012), в ОАО «НК «РОСНЕФТЬ», ООО «Газпром добыча Астрахань», ОАО «Нарьянмарнефтегаз», ОАО «РН-Самаранефтегаз», ОАО «Сильвинит.
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем работы и ее структура
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения; содержит 146 страницы машинописного текста, включая 57 рисунков, 1 таблицу и список использованной литературы из 133 наименований.
Автор выражает признательность своему руководителю профессору, доктору технических наук Кашникову Юрию Александровичу за постоянное внимание к работе и организацию исследований в области радарной интерферометрии, а также всем коллегам кафедры МДГиГИС ПНИПУ, которые приняли активное и доброжелательное участие в проведении данных исследований.
