Исследование оползневых процессов и деформаций почвенного покрова полуострова Ямал на основе интерферометрических радиолокационных данных

Чимитдоржиев Тумэн Намжилович; Кирбижекова Ирина Ивановна; Лейбман Марина Оскаровна; Быков Михаил Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПОЛЗНЕВЫХ ПРОЦЕССОВ И ДЕФОРМАЦИЙ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ПОЛУОСТРОВА ЯМАЛ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ДАННЫХ

Тумэн Намжилович Чимитдоржиев

Институт физического материаловедения СО РАН, 670047, г. Улан-Удэ, ул.Сахьяновой 8, заместитель директора, д.т.н., тел. (3012) 433224, e-mail: [email protected]

Ирина Ивановна Кирбижекова

Институт физического материаловедения СО РАН, 670047, г. Улан-Удэ, ул.Сахьяновой 8, старший научный сотрудник, к.ф.-м.н., тел. (3012) 433224, e-mail: [email protected]

Марина Оскаровна Лейбман

Институт криосферы Земли СО РАН, 119991, Россия, г. Москва, ул. Вавилова, д. 30/6, главный научный сотрудник, д.г.-м.н., тел. (916) 6078393, e-mail: moleibman@gmail. com

Михаил Евгеньевич Быков

Институт физического материаловедения СО РАН, 670047, г. Улан-Удэ, ул.Сахьяновой 8, аспирант, тел. (3012) 433224, e-mail: evgomond@yahoo. com

В докладе представлены результаты исследования микро-деформаций почвенного покрова и оползневых процессов полуострова Ямал методами дифференциальной интерферометрии и анализа сезонных и долговременных изменений текстуры радиолокационных изображений.

Ключевые слова: радарная интерферометрия, текстурный анализ, оползневые процессы.

STUDY OF SOIL COVER DEFORMATION AND LANDSLIDES YAMAL PENINSULA AN INTERFEROMETRIC RADAR DATA

Tumen N. Chimitdorzhiev

Institute of Physical Material Science of the SB RAS, 670047, Ulan-Ude, 8, Sakhyanovoy str., IPM SB RAS, deputy director, D.Sc., tel. +7 (301-2) 43-31-84, e-mail: [email protected]

Irene I. Kirbizhekova

Institute of Physical Material Science of the SB RAS, 670047, Ulan-Ude, 8, Sakhyanovoy str., IPM SB RAS, senior researcher, D.Sc., docent, tel. +7 (3012) 433184, e-mail: [email protected]

Marina O. Leibman

Earth Cryosphere Institute of SB RAS, 119991, Russia, Moscow, st. Vavilov, 30/6, tel. (916)6078393, chief researcher, D.Sc., e-mail: [email protected]

Michael E. Bikov

Institute of Physical Material Science of the SB RAS, 670047, Ulan-Ude, 8, Sakhyanovoy str., IPM SB RAS, postgraduate, tel. +7 (3012) 433184, e-mail: [email protected]

This report presents the results of a study of micro-deformation of soil and landslides on the Yamal Peninsula the methods of differential interferometry and analysis of seasonal and long changes in the texture of radar images.

Key words: radar interferometry, texture analysis, landslide processes.

В современном мире больший научный интерес представляют изменения среды обитания человека вызванные как антропогенной деятельностью, так и глобальными климатическими процессами. Одними из самых мощных средств мониторинга состояния окружающей среды и её изменений в настоящее время являются дистанционные методы зондирования Земли (ДЗЗ). Особую актуальность ДЗЗ приобретает при освоении протяженных и труднодоступных северных территорий Западной Сибири и Арктики [2]. Вследствие возрастающей антропогенной нагрузки и климатических изменений здесь в последние десятилетия активизировались оползневые процессы, деформация и разрушение почвы [1,7]. Из-за сложных погодных условий, продолжительных полярных зим, мощного снежного покрова наиболее перспективными для исследований и мониторинга являются спутниковые методы радиолокации. В частности методы радарной интерферометрии продемонстрировали высокую эффективность при обнаружении горизонтальных и вертикальных смещений почвенного покрова сейсмического и техногенного характера, «морозного пучения» влажных и заболоченных участков, подвижек льда и др. [4,8-10]

В данной статье представлены результаты обработки радарных изображений ALOS PALSAR в Ь-диапазоне по территории полуострова Ямал в 20072010 гг. методами дифференциальной интерферометрии и текстурного анализа.

Для локализации участков деформации по тестовому полигону Марре-Сале была проведена интерферометрическая обработка радарных данных полученных ALOS PALSAR 5 февраля 2008, 28 марта, 28 июня и 13 ноября 2010 года. На рисунке 1 представлена фильтрованная геокодированная интерферо-грамма по паре изображений 5 февраля 2008 - 28 марта 2010. Как видно по рисунку большая часть территории стабильна (светлые тона) - за два года между съемками деформации поверхности отсутствуют. Участки проседания до 5 -6 см расположены вдоль береговой линии (серые), а по центру - территория с поднятием до 2-3 см по краям и 5-6 см в середине соответственно (темно-серые). Необходимо отметить, что обозначенные деформации на рисунке носят долговременный характер. В частности опускание верхней и нижней оконечности полуострова, возможно, происходит из-за подтаивания ледовой подложки частей выдающихся в море. Либо из-за перехлестывания волн через эти фрагменты происходит смыв-размыв этих выступающих частей. Центральная зона поднятия соответствует морозному пучению почв вдоль заболоченного русла реки. Т.к. величина морозного пучения почвы пропорциональна средней температуре в зимний период [8,10], то поднятие до 6 см могло возникнуть за счет разницы амплитуд пучения зимой 2008 и более холодной зимой 2010 года.

При исследовании оползневых процессов, а в дальнейшем при их прогнозировании немаловажное значение имеет информация о рельефе местности. В настоящее время доступные цифровые модели рельефа (ЦМР) на северные территории имеют сильно разреженный, скорее дискретный, нежели непрерывный характер. Поэтому одной из целей проводимого исследования стало построение ЦМР. По тестовому полигону Васькины Дачи п-ва Ямал на основе трех радарных изображений 2007-2010 гг. были построены карты относительных высот и

вертикальных смещений. Методика построения заключается в следующем: по первой паре изображений строится «опорная» интерферограмма, которая содержит информацию о рельефе. По второй паре строится интерферограмма с вычитанием опорной, при этом отображаются только смещения поверхности без влияния топографии. После чего проводятся стандартные процедуры для расчета карты вертикальных смещений [3]. Построение карты абсолютных высот без опорных точек на местности невозможно, но информация об относительных высотах может быть полезна для выявления участков с градиентами высот наиболее вероятными для возникновения оползней.

море

участки

обрушения

стабильные

участки

морозное

пучение

п-в Ямал Марре-Сале АЮБ РАЬЭАР 05.02.200828.03.2010

Рис. 1. Фильтрованная геокодированная интерферограмма по территории Марре-Сале, п-в Ямал по паре радиолокационных изображений ALOS PALSAR

5 февраля 2008 - 28 марта 2010

Для обнаружения участков со значительными изменениями почвенного покрова был проведен сравнительный анализ сезонных и двухгодичных изменений текстуры радарных изображений [5,6]. Исследование проведено на основе четырех снимков в Ь-диапазоне (НН) полученных ЛЬОБ РЛЬБЛЯ в 20072009 гг. с разрешением 15 м/пиксел по тестовому полигону Васькины дачи, где деформационные и оползневые процессы отслеживаются в течение последних 20-30 лет.

Вычислены статистические показатели текстуры радарных изображений и их вариации в течение зимнего сезона (с октября 2008 г. по январь 2009 г.) и за два года (январь 2007 г. - январь 2009 г.). На рисунке 2 представлены относительные сезонные и двухгодичные изменения, нормированные на среднюю интенсивность за сезон 2008-2009 г.г. в первом случае и среднюю интенсивность за январь 2007 - январь 2009 г.г. во втором. Как видно по рис.2.а наиболее зна-

чительные осенне-зимние вариации соответствуют многочисленным водным объектам, очевидно при их замерзании. Поэтому, при статистической оценки вариаций текстурных показателей была построена и применена маска, исключающая водные объекты.

Рис.2. Относительные изменения текстуры радиолокационных изображений

2007-2009 гг. тестового участка Васькины Дачи, п-в Ямал: сезонные (а)

и двухлетние (б)

Сравнительный анализ показал, что абсолютные годичные изменения почвенного покрова как правило, не превышают аналогичных сезонных вариаций, в то время как относительные изменения одного порядка. В результате была составлена карта и определены участки с преобладанием сезонных вариаций. Распределение разности сезонных и двухгодичных изменений оказалось близко к распределению Гаусса. Таким образом, для каждого пикселя изображения можно вычислить вероятность того, что сезонные изменения превышают долговременные и наоборот и, следовательно, локализовать участки исследуемой территории, укладывающиеся в рамки статистических вариаций с известной вероятностью, а также выявить участки с аномально большой разницей, т.е. с высокой долей вероятности, указывающие на реально произошедшие изменения. Согласно наземным наблюдениям значительных деформационных и оползневых явлений на территории тестового полигона в период между радиолокационными съемками 2007-2009 гг. не происходило, а немногочисленные небольшой площади участки с сильными двухгодичными изменениями располагаются в основном вдоль трасс движения транспорта или соответствуют местам усиленной антропогенной нагрузки.

Изучение вариаций текстурных характеристик, определенных на основе матрицы совместной встречаемости, усредненных по четырем направлениям дало схожие результаты. Для обнаружения более значительных изменений необходимы данные более высокого разрешения и/или больший временной интервал между съемками.

Исследования выполнены при поддержке интеграционного проекта СО РАН № 144 «Криогенные ресурсы Арктики и Субарктики: состояние и структура криолитозоны, физико-химическое моделирование и биологический потенциал криогенных систем».

1. Leibman, M.O., Kizyakov, A.I., Sulerzhitsky, L.D., Zaretskaya, N.E. 2003. Dynamics of the landslide slopes and mechanism of their development on Yamal peninsula, Russia. Permafrost (M.Phillips, S.M.Springman, L.U.Arenson, eds.), Proceedings of the 8th International Conference, Zurich 21-25 July 2003. A.A.Balkema Publishers, Lisse, Netherlands, I: 651-656.

2. Брыксин В.М., Филатов А.В., Евтюшкин А.В. Использование радарных изображений и DINSAR-PSINSAR технологии для мониторинга Западной Сибири и Арктики // Журнал радиоэлектроники. 2012. № 6. С. 1-1.

3. Дарижапов Д.Д., Кирбижекова И.И., Леонов А.С. Обработка интерферометриче-ских данных, полученных с японского спутника ALOS SAR (радар с синтезированной апертурой) // Вестник ВСГТУ. 2010. № 3. С. 5-9.

4. Евтюшкин А.В., Филатов А.В., Васильев Ю.В., Мартынов О.С., Радченко А.В Использование данных PALSAR при выполнении геодинамического мониторинга нефтегазовых месторождений // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2010. Т.7. № 2. С.122-128.

5. Кирбижекова И.И., Чимитдоржиев Т.Н., Лейбман М.О., Быков М.Е. Возможности мониторинга ландшафтных изменений тестовых участков полуострова Ямал на основе текстуры радарных изображений // Материалы X Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 12 -16 ноября 2012 г., С. 396-396.

6. Кирбижекова И.И., Чимитдоржиев Т.Н., Тубанов Ц.А. [и др.]. Результаты исследований динамики ледового покрова озера Байкал методами спутниковой радиолокации ALOS PALSAR и GPS-навигации//Вестник БНЦ СО РАН. 2012. № 1(5). С. 42-59.

7. Лейбман М.О., Кизяков А.И. Криогенные оползни Ямала и Югорского полуострова. Типография Россельхозакадемии, М. - 2007. - 206 с.

8. Татьков Г.И., Чимитдоржиев Т.Н., Быков М.Е. [и др.]. Применение спутниковой радарной интерферометрии ALOS PALSAR для картирования ареалов распространения и измерения интенсивности криогенного пучения грунтов. // Инженерные изыскания. 2012, № 9, стр. 28-34.

9. Чимитдоржиев Т.Н., Захаров А.И., Татьков Г.И. [и др.]. Исследование криогенных деформаций грунта в дельте реки Селенга с помощью спутниковой РСА-интерферометрии и наземного георадарного зондирования // Исследование Земли из космоса. 2011. № 5. С. 5863.

10. Чимитдоржиев Т.Н., Хаптанов В.Б., Захаров А.И. [и др.]. Использование данных радиолокационной интерферометрии ALOS PALSAR и георадарного зондирования для исследования криогенных деформаций грунтов // Журнал радиоэлектроники. - 2010. - №4. - С. 172-181.