Методика дешифрирования рельефа по результатам лазерной съёмки для оценки опасных геологических процессов в горных районах Кавказа

Актуальность проблемы: Постоянно увеличивающийся рост потребления углеводородов приводит к необхо-димости поиска новых месторождений. Что включает в себя развитие инфраструктуры, стро-ительства новых транспортных сооружений для доставки к месту переработки и дальнейшей транспортировке готового продукта и развития. Строительство и эксплуатация в сложных природных условиях требуют повышенного внимания (для предотвращения аварийных ситу-аций). Одним из эффективных направлений контроля безопасной эксплуатации транспорт-ной инфраструктуры является изучение и прогнозирование опасных геологических процес-сов на этих участках. Прогнозирование опасных геологических процессов, входящих в природно-техническую систему, включает в себя дешифрирование, получение их качественных и коли-чественных характеристик, а также мониторинг и прогноз развития природно-технической системы для снижения аварийных ситуаций и последствий воздействия геологических процес-сов на экосистемы. Несмотря на известные натурные и аэрокосмические методы изучения опасных гео-логических процессов применение воздушного лазерного сканирования (ВЛС) расширяет круг задач, возникающих при проведении дешифрирования и мониторинга. Технология ВЛС позволяет фиксировать макро и микроструктуру рельефа, как на открытой поверхности, так и на залесенной территории в разных геоморфологических условиях. Отсутствие методологических подходов к дешифрированию и мониторингу опасных геологических процессов на основе данных ВЛС для целей их изучения потребовало разрабо-тать алгоритмы поиска, определения вида процесса, его характеристик, мониторинга во вре-мени и прогноза развития. В настоящее время технология лазерного сканирования позволяет получать плот-ность точек лазерных отражений (ТЛО) до 300 точек на метр квадратный со среднеквадрати-ческой погрешностью от 3-4 см. Использование данных ВЛС повышает качество проведения их анализа, позволяет получать качественные и количественные характеристики, а при со-блюдении технологии сканирования для высокоточного картирования, обеспечивает доста-точно высокую точность модели рельефа для изучения опасных геологических процессов, расположенных в экологической системе. Такие характеристики дают возможность переда-вать детали микрорельефа под древесной и травяной растительностью при условии возмож-ности прохождения луча сканирования между листьями, хвоей, ветками и травой. Необходи-мость улучшения качества изучения природных условий для строительства и возможность, ВЛС обеспечить необходимую информативность задача разработки методики проведения мо-ниторинга на основе ВЛС является первоочередной и актуальной задачей. Технологии ВЛС позволяет получать рельеф с детализацией до 50 ТЛО на метр квад-ратный, что дает возможность определить мелкие детали выделяемых геологических процес-сов. При возникновении или активизации геологических процессов, их динамики и влиянии на безопасность эксплуатации транспортных сооружений и их инфраструктуры, а также сни-жение влияния геологических факторов на экосистему. Методологические подходы дешифри-рования на основе данных ВЛС, разработанные автором настоящей диссертационной работы позволяют применять цифровые модели местности (ЦММ) или цифровые модели рельефа (ЦМР) используемые для топографических планов масштабов 1:500 – 1:5000 для поиска опас-ных геологических процессов, определения их видов, характеристик, мониторинга во време-ни и прогноза развития. Разработанные автором настоящей диссертационной работы критерии применения технологии ВЛС актуальны не только для мониторинга геологической среды или природно-технической системы включенных в экологическую систему, но и для проведения дешифри-рования процессов при проектировании транспортных сооружений и их инфраструктуры с точки зрения повышения качества работ и уменьшения трудозатрат при инженерно-геологическом обследовании, а также снижения влияния геологических факторов на экоси-стему. Методологические подходы дешифрирования геологической среды или природно-технической системы разработанные автором является основой для мониторинга, т.е. нулевой статической моделью временного ряда, выстраиваемого при формировании динамических моделей, а также начальной ретроспективной моделью (от начала проектирования до конца строительства). Следовательно, задача разработки указанных методик актуальна не только в научном, но также и в практическом плане. Применение разработанных автором алгоритмов, состав-ляющих методологические подходы дешифрирования опасных геологических процессов и их мониторинг позволит не только обучить специалистов (операторов) пользоваться материала-ми, получаемыми при проведении ВЛС, но и обучить нейронные сети для автоматизации процесса в будущем. Что является перспективам направлением при проектировании и экс-плуатации сооружений, так как позволяет не только повысить качество проектирования и снизить аварийность, но и оптимизировать затраты на строительство и повысить безопас-ность эксплуатации. Цели и задачи: Целью настоящей диссертационной работы является разработка методологических основ по дешифрированию и мониторингу опасных геологических процессов на основе дан-ных ВЛС, апробации разработанных автором алгоритмов и создания рекомендаций для по-следующего внедрения в производство. Основными задачами исследований являются: 1) Анализ методов дешифрирования и мониторинга на всех этапах жизненного цикла зданий или сооружений: предпроектной и проектной стадий обоснования строительства, строительстве и эксплуатации линейных и площадных объектов; 2) Исследование способов отображения потенциально опасных геологических про-цессов по видам и типам, их морфометрических характеристик, косвенных признаков актив-ности геологических процессов на ЦММ или ЦМР, полученных по данным ВЛС совмещен-ного с аэрофотосъемкой; 3) Разработка методики проведения дешифрирования материалов ВЛС, выявление на них геоморфологического образа опасных геологических процессов и их мониторинг; 4) Применение разработанных решений для дешифрирования геологических процес-сов в зонах распространения многолетнемерзлых грунтов, в горных провинциях, зонах рас-пространения карста и просадочных грунтов. А также изучение особенностей, влияющих на активизацию протекания или угасания активности опасных геологических процессов и ана-лиз подтверждения данных дешифрирования с данными полевых работ; 5) Исследование возможностей использования технологии ВЛС для мониторинга природно-технической среды, формирование статической модели местности с выстраиванием временных рядов для получения динамической модели, определение изменений метрических характеристик во времени и применение разработанных решений на практике. Научная и методическая новизна исследований, проведённых в рамках настоящей диссертационной работы, заключается в следующем: 1) Впервые определены опасные геологические процессы (согласно перечню СП 115.13330.2016), дешифрируемые на ЦММ или ЦМР формируемых для топографических планов масштабов 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500 созданных по материалам ВЛС; 2) Впервые разработана методика дешифрирования опасных геологических про-цессов на основе данных ВЛС; 3) Впервые разработана методика проведения мониторинга с применением воз-душного лазерного сканирования включающая в себя рациональное расположение постоянно действующих станций GPS и опознавательных знаков обеспечивающих наименьшую по-грешность определения каждой ТЛО в пространстве, минимального количества ТЛО на метр квадратный для определения микрорельефа опасных геологических процессов и формирова-ния временных рядов и сравнительного анализа динамических моделей; 4) Апробирование разработанной методики дешифрирования опасных геологиче-ских процессов проведено на объектах, расположенных в разных климатических зонах, а также в опубликованных работах (в том числе ВАК) и докладах на научных конференциях и семинарах 5) Разработанная автором методика проведения мониторинга геологической среды апробирована на объекте «Расширение ЕСГ для обеспечения подачи газа в газопровод «Юж-ный поток (Турецкий поток)»; 6) Впервые разработана методика определения положения трубопровода подзем-ной прокладки с использованием воздушного лазерного сканирования и устройства опреде-ления планово-высотного положения трубопровода (разработанного автором настоящей дис-сертационной работы); 7) Получены патенты на изобретение методов дешифрирования и мониторинга по данным ВЛС. Методы исследования: включают исследования выявления геологических явлений на статических моделях ЦМР (геологических тел, образованных при аккумуляции и разруше-нии рельефа при денудации), определение составных частей явлений (к примеру оползни – бровка срыва, головы оползня, языка оползня и т.д.), выявлении скоростей и ускорений про-текания геологических процессов при мониторинге. Решение поставленных задач выполнено с использованием программных продуктов, позволяющих визуализировать ЦМР, по которым проводилось экспертное дешифрирование автором настоящей диссертационной работы. Впервые при помощи геоинформационной си-стемы использованы методы математической статистики, применяемой при проведении гео-логической съемки дистанционными методами, методы математического анализа при вери-фикации статических моделей во время формирования динамических моделей. Положения, выносимые на защиту: 1) Разработаны методы дешифрирования опасных геологических процессов на циф-ровых моделях рельефа созданных на основе данных воздушного лазерного сканирования с применением сравнительного анализа с каталогизированными основными типизированными мо-делями опасных геологических процессов, выявляемых на моделях рельефа, сформированных из данных разной плотности массива точек лазерных отражений. 2) Разработаны методы проведения мониторинга опасных геологических процессов способом воздушного лазерного сканирования, основанные на распознавании геоморфологиче-ских образов процессов и явлений, создания статических моделей, полученных при равных по-годных условиях и формирования динамических моделей с проведением анализа изменений в рельефе. 3) Установлены современные принципы определения качественных (к примеру фор-мы геологического тела на поверхности земли; его тип, подтип, текстурные особенности, определяющие его активизацию или затухание и т.п.) и количественных характеристик (раз-меры и др.) опасных геологических процессов в статических и динамических моделях релье-фа, что необходимо для оценки местности при хозяйственном освоении и присвоении класса опасности того или иного геологического процесса для необходимости инженерной защиты и экономического обоснования при строительстве. Разработан метод определения прогнозной глубины зеркала скольжения оползня (относящейся к количественной характеристике ополз-ня) по его типу и геоморфологическому облику. 4) Разработаны современные принципы включения в бизнес-процессы методики де-шифрирования опасных геологических процессов на основе воздушного лазерного сканиро-вания. Фактические материалы: В качестве исходных материалов в настоящей диссертационной работе использованы результаты научных исследований, проведённых автором в области применения аэрометодов при геологических, инженерно-геологических, гидрогеологических и геофизических иссле-дований и проведении геодезических работ в составе ООО «АГМ Системы», а также матери-алы выполненных работ на объектах проектирования трубопроводного транспорта. Использованные материалы:  материалы воздушного лазерного сканирования (ВЛС), выполненного для топо-графической съемки 1:5000 – 1:500 масштабов разных климатических зон;  материалы воздушного лазерного сканирования, специально выполненные для апробации методики дешифрирования опасных геологических процессов, с получением ка-чественных и количественных характеристик;  нормативно-технические документы Российской Федерации;  результаты апробации метода дешифрирования опасных геологических процес-сов, проведенного в рамках экспериментальных проектов на объектах: «Расширение ЕСГ для обеспечения подачи газа в газопровод «Южный поток (Турецкий поток)», «Магистральный газопровод «Алтай», «Реконструкция магистрального газопровода «Майкоп-Самурская-Сочи», «Увеличение подачи газа в юго-западные районы Краснодарского края «газификация Тамани», «Газификация Большого Сочи»; «Реконструкция и расширение газотранспортных мощностей «газопровод Крымск-Верхнебаканский», «Нефтепродуктопровод «Комсомоль-ский НПЗ – порт Де-Кастри». Сухопутные сооружения» (в рамках изучения неотектоники);  результаты мониторинга опасных геологических процессов проведенных в рамках пилотного проекта на объекте – «Расширение ЕСГ для обеспечения подачи газа в га-зопровод «Южный поток (Турецкий поток)», «Продуктопровод Туапсинский район» (в рам-ках изучения динамики рельефа для выбора конкурентоспособных направлений трассы тру-бопровода). Достоверность результатов исследований подтверждена полевой заверкой прове-денного дешифрирования опасных геологических процессов при апробации на объектах: - «Расширение ЕСГ для обеспечения подачи газа в газопровод «Южный поток (Турецкий поток)», - «Магистральный газопровод «Алтай», - «Реконструкция магистрального газопровода «Майкоп-Самурская-Сочи». Про-веденных в рамках пилотных проектов на объектах: - «Увеличение подачи газа в юго-западные районы Краснодарского края «гази-фикация Тамани», - «Газификация Большого Сочи»; - «Реконструкция и расширение газотранспортных мощностей «газопровод Крымск-Верхнебаканский», - «Нефтепродуктопровод «Комсомольский НПЗ – порт Де-Кастри». Сухопутные сооружения». Достоверность результатов исследований автора настоящей диссертационной работы также подтверждена при проведении мониторинга на основе воздушного лазерного сканиро-вания на объекте «Расширение ЕСГ для обеспечения подачи газа в газопровод «Южный по-ток (Турецкий поток)», контролируемого классическими геодезическими методами по де-формационным маркам, а также при изучении геодинамики на объекте «Продуктопровод Ту-апсинский район». Личный вклад автора: В основу диссертации положены материалы, полученные лично автором за 7-летний период работы в организациях, ведущих свою деятельность в области проектирования трубо-проводного транспорта. Автором лично проведены исследования применимости данных воздушного лазер-ного сканирования для проведения дешифрирования и мониторинга опасных геологических процессов. Проведен анализ обоснования необходимого качества сканирования местности и подтверждено отображение опасных геологических процессов на местности в зависимости от количества ТЛО, отраженных от поверхности грунта на 1 м. кв. Сформулирована идея мно-гоцелевого применения данных воздушного лазерного сканирования, произведена постанов-ка научной проблемы и способа её решения. Разработаны методики дешифрирования экзо-генных геологических процессов и инженерно-геологических условий и мониторинга ли-нейных сооружений и площадных объектов. Автором лично проведены работы по дешифрированию опасных геологических про-цессов на объектах: - «Расширение ЕСГ для обеспечения подачи газа в газопровод «Южный поток (Турецкий поток)»; - «Магистральный газопровод «Алтай»; - «Реконструкция магистрального газопровода «Майкоп-Самурская-Сочи»; - «Увеличение подачи газа в юго-западные районы Краснодарского края «гази-фикация Тамани»; - «Газификация Большого Сочи»; - «Реконструкция и расширение газотранспортных мощностей «газопровод Крымск-Верхнебаканский»; - «Нефтепродуктопровод «Комсомольский НПЗ – порт Де-Кастри». Сухопутные сооружения»; - Принимал участие по составлению комплекта тематических карт объекта «Рас-ширение ЕСГ для обеспечения подачи газа в газопровод «Южный поток (Турецкий поток)», лично составил: карту инженерно-геологических условий, карту районирования инженерно-геологических и инженерно-гидрогеологических условий М 1:200000 в том числе применяя данные воздушного лазерного сканирования. Провел мониторинг на объектах: - «Расширение ЕСГ для обеспечения подачи газа в газопровод «Южный поток (Турецкий поток)», контролируемого классическими геодезическими методами по деформа-ционным маркам, - «Продуктопровод Туапсинский район», изучении геодинамики рельефа и мони-торинг активности опасных геологических процессов для принятия предпроектных решений. Оптимизирован алгоритм проведения инженерных изысканий путем встраивания блока работ по дешифрированию опасных геологических процессов. Практическое значение работы: Разработанные методы изучения и прогнозирования опасных геологических процес-сов на ряде объектов показали свою информативность и экономичность. Предлагаемые авто-ром настоящей диссертационной работе методы положили начало применения воздушного лазерного сканирования для выявления геологических процессов, потенциально негативно воздействующих на будущие сооружения и, как следствие, позволяющие снизите влияния геологических факторов на экологический риск, последствий воздействия геологических процес-сов на экосистемы при эксплуатации сооружений. А также при встраивании в бизнес-процессы инженерных изысканий существенно оптимизируют алгоритм проведения работ и решают задачи при принятии управленческих решений. Методы в совокупности или по отдельности создают базу существенному усовершен-ствованию в качестве дополнения к федеральным нормативным документам СП 11-105-97 (и его актуализированной версии), СП 47.13330 и другим нормативным документам, использу-емым при проведении инженерных изысканий, и служат составной частью мониторинга природно-технической системы. Проведенные исследования и демонстрация итогов исследований дали обоснование для включения воздушного лазерного сканирования как метода для картирования оползней в нормативную документацию (СП 420.1325800.2018) [РЕЗОЛЮЦИЯ круглого стола НОПРИЗ 2015 г. http://nopriz.ru/upload/iblock/979/1_sro_03_1739._rezolyutsiya.pdf]. Научная апробация и публикации: Автором получены два патента на изобретения методов и патент на полезную модель устройства определения планово-высотного положения трубопровода: - Патент на изобретение № 2655955 «Способ дешифрирования экзогенных геоло-гических процессов и инженерно-геологических условий»; - Патент на изобретение № 2655956 «Способ проведения геотехнического мони-торинга линейных сооружений и площадных объектов на основе воздушного лазерного ска-нирования»; - Патент на полезную модель № 173296 «устройство определения планово-высотного положения трубопровода». Научные результаты исследований оригинальны, подготовка основных публикаций проводилась автором единолично и с соавторами, при этом вклад автора был основным. По теме диссертации опубликовано 10 тезисов, 17 статей, из них 7 статей в рефери-руемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК и 1 коллективная монография. Итоги исследований, апробации и применения разработанных решений по дешифри-рованию и мониторингу докладывались на всероссийских конференциях лично автором настоящей диссертационной работы. Научные труды занимали первые места на международных конкурсах студентов, ас-пирантов, докторантов: - V Международный интеллектуальный конкурс студентов аспирантов «Discov-ery Science: University – 2016» - «Дешифрирование экзогенных геологических процессов по данным воздушного лазерного сканирования» (первое место); - Международный конкурс студентов и аспирантов (в рамках требований ФГОС) «University Knowledge – 2017» - «Концепция проведения мониторинга опасных геологиче-ских процессов и явлений на основе воздушного лазерного сканирования» (второе место); - VI Международный интеллектуальный конкурс студентов, аспирантов, докто-рантов «Discovery Science: University – 2017» - «Сходимость результатов дистанционного ме-тода дешифрирования с полевым обследованием на линейном объекте. Оползневой участок» (первое место); - II Международный конкурс обучающихся и педагогов профессиональных учеб-ных заведений (5 сессия сезона 2018/2019) «Professional Stars – 2018/2019» - «Методологиче-ские подходы проведения мониторинга опасных геологических процессов воздушным лазер-ным сканером (LiDAR), основанные на распознавании геоморфологических образов процес-сов и явлений» (первое место); - VIII Международный интеллектуальный конкурс студентов, аспирантов, док-торантов «Discovery Science: University – 2019» - «Методологические подходы к дешифриро-ванию на основе данных лазерного сканирования (LiDAR), с применением сравнительного анализа с типизированными моделями опасных геологических процессов» (первое место). - Акты о внедрении методов дешифрирования и мониторинга в компаниях ООО «ДАГЕСТАНКАДАСТРСЪЁМКА» и ООО «Аэрогеоматика».