CC BY
38
УДК 528.482.5
А.А.КРИВЕНКО, старший преподаватель
Ю.А.КАШНИКОВ, д-р техн. наук, профессор, geotech@pstu.ac.ru Пермский государственный технический университет
A.A.KRIVENKO, senior lecturer
Yu.A.KASHNIKOV, Dr. in eng. sc.,professor, geotech@pstu.ac.ru Permian State Technical Universitety
МОНИТОРИНГ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДАМИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РАДАРНЫХ ДАННЫХ
В последнее время весьма популярным методом для выявления и анализа проседаний земной поверхности становится дифференциальная радарная интерферометрия (DInSAR). Исследователи отмечают, что данный метод хорошо подходит для решения задач по определению небольших относительных смещений земной поверхности с применением радиоволн с короткой длиной волны (сантиметрового порядка).
Ключевые слова: смещения земной поверхности, радарная инерфорометрия (DInSAR), газоконденсатное месторождение, обработка данных, специализированный программный продукт GAMMA.
MONITORING OF DEFORMATION PROCESSES OF THE EARTH SURFACE WITH METHODS OF DIFFERENTIAL
INTERFEROMETRIC TREATMENT OF RADAR DATA
The Differential Interferometry SAR (DInSAR) has recently become one of the most popular methods to reveal and analyze the subsidence of the ground. This method is considered by researchers to be well suited to solve a problem of small relative ground shifts survey applying the short (centimeter) radio waves.
Key words: movements of earth surface, radar interferometry, gas-condensate field, data processing, specialized software GAMMA.
Результаты исследований в области применения радарной интерферометрии для выявления проседаний земной поверхности на территории Астраханского газоконден-сатного месторождения (АГКМ) показали достаточно высокую эффективность применения данного метода. Так, интерферометри-ческий анализ радарной съемки показал наличие большого участка оседаний в центральной разрабатываемой части (20 х 20 км) месторождения, где максимальные оседания достигают 7 мм в год. Однако данный метод оказался практически неприменим для площадного мониторинга оседаний при
разработке Оренбургского нефтегазокон-денсатного месторождения (ОНГКМ) из-за сельскохозяйственной деятельности на большей части месторождения. Тем не менее было выявлено поднятие в центре г.Оренбурга, где за 2 года (с 2004 по 2006 г.) вертикальное смещение составило +12-14 мм, а в западной части ОНГКМ зафиксированы оседания земной поверхности - 6-10 мм за тот же период. Для таких проблемных территорий как ОНГКМ лучше применять технику радарной интерферометрии, основанной на анализе точечных целей (интерферометрия устойчивого отражателя (PSI)). Однако общий вывод из
_ 225
Санкт-Петербург. 2010
результатов работ для двух месторождений заключается в том, что возможность использования метода радарного космического зондирования для территории газоконден-сатных месторождений может быть оценена только после сопоставления результатов определения оседаний с помощью данного метода и традиционных инструментальных измерений.
В последнее время весьма популярным методом для выявления и анализа проседаний земной поверхности становится радарное дистанционное зондирование земной поверхности, а именно, дифференциальная радарная интерферометрия (DInSAR) [5]. Исследователи отмечают, что дифференциальная радарная интерферометрия хорошо подходит для решения задач по определению небольших относительных смещений земной поверхности с применением радиоволн с короткой длиной волны (сантиметрового порядка). Фундаментальный параметр, который измеряется этим методом, - фаза радарного сигнала. Важное условие для успешного интерферометрического анализа -высокая когерентность между радарными сигналами. К сожалению, качественному интерферометрическому анализу радарных данных препятствует растительный покров, который может разрушать детерминированные разности фаз разновременных радарных изображений. Более длинные промежутки времени между двумя наблюдениями также ухудшают качество интерпретации измеренных фазовых разниц. Другой источник ослабления когерентности сигнала или де-корреляции - это геометрическая разница в угле падения между двумя наблюдениями. Кроме того, высокие значения оседаний, которые типичны, например, при разработке месторождений твердых полезных ископаемых, могут также ослабить когерентность радарных данных [4].
Исследования в области применения радарной интерферометрии для выявления проседаний земной поверхности были проведены на территории Астраханского газо-конденсатного месторождения и Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения. Отметим, что на территории АГКМ
специалистами Пермского государственного технического университета развернут полномасштабный геодинамический полигон и имеются подробные результаты определения оседаний нивелированием II класса и с помощью спутниковых технологий, что дает возможность сопоставления традиционных методов и результатов интерферометриче-ской съемки [1].
Измерение вертикальных смещений, обусловленных разработкой АГКМ, проводилось с применением радарных съемочных систем [3]. Для интерферометрического анализа было использовано 14 радарных сцен ENVISAT, пригодных для обработки. Все снимки охватывают период с октября 2003 по декабрь 2008 г.
Интерферометрическая обработка данных состояла из нескольких этапов [2] и проводилась в специализированном программном продукте GAMMA (фирма «GAMMA REMOTE SENSING AG», Швейцария), которым располагает Пермский государственный технический университет. Несмотря на то, что часть снимков была подвержена влиянию атмосферы, а растительность вызвала серьезную декорреляцию, интерферо-метрический анализ показал наличие большого участка оседаний в центральной разрабатываемой части (20 х 20 км) месторождения, где максимальные оседания достигают 5 мм в год. На рис. 1 отображена карта вертикальных смещений, полученная по результатам интерферометрического анализа дифференциальных интерферограмм за 4-летний период (с октября 2003 по ноябрь 2007 г.). Обращает на себя внимание наличие небольших оседаний в северной части месторождения, где нет скважин. Вполне возможно, что в эти годы из этой части АГКМ шел отбор газа.
Далее был выполнен сравнительный анализ полученных данных с результатами инструментальных наблюдений на геодинамическом полигоне, в частности с нивелированием II класса. Расположение профильных линий нивелирования II класса также представлено на рис.1. Для анализа был построен совмещенный график оседаний земной поверхности по профильной линии от
226 _
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т. 188
1 Профильная линия нивелирования V II класса (от реп.5 до 9)
........
.
■V
ч
\
Астраханское ГШ
Рис. 1. Карта вертикальных смещений на территории АГКМ (с октября 2003 по ноябрь 2007 г.)
и
н Л
т
-20
-15
5 10 15 20 25 30 35
Расстояния по профильной линии от рп.5 до 9, км
40
45
50
Рис. 2. Совмещенный график вертикальных смещений (2004-2007 гг.) на территории АГКМ по профильной
линии от реп.5 до 9 1 - по данным нивелирования; 2 - по данным радарной интерферометрии
5
0
5
0
Санкт-Петербург. 2010
реп.5 до 9 (рис.2). Рассчитанное среднее отклонение разниц смещений, полученных двумя способами, составило 1,5 мм.
Согласно полученным результатам, данный метод определения вертикальных смещений (DInSAR) дал положительные результаты на территории АГКМ в части выявления мест, подверженных деформациям.
Существенно иная ситуация при использовании данной съемки наблюдается для Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения. В октябре 2008 г. была выполнена дифференциальная интерферомет-рическая обработка 13 архивных радарных сцен ENVISAT на территории лицензионного участка ОНГКМ. Радарная съемка охватывает период с июля 2004 по сентябрь 2006 г.
Полученные дифференциальные интер-ферограммы были подвержены серьезной декорреляции из-за сельскохозяйственной обработки земель на большей части месторождения (вспахивание, изменение растительного покрова), а также присутствия в широтном направлении русла р.Урал (сезонные разливы). Все эти явления весьма негативно повлияли на качественную интерпретацию интерферограмм для определения смещений земной поверхности. Тем не менее на некоторых участках (городские земли и нераспаханные участки) были определены смещения земной поверхности. Так было выявлено поднятие в центре г.Оренбурга, где за 2 года (2004-2006 гг.) вертикальное смещение составило +12-14 мм, а в западной части ОНГКМ зафиксированы оседания земной поверхности - 6-10 мм за тот же период.
Для таких проблемных территорий как ОНГКМ лучше применять технику радарной интерферометрии, основанной на анализе точечных целей (интерферометрия устойчивого отражателя (PSI).
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что возможность использования метода радарного космического зондирования вместо традиционных геодезических методов для подрабатываемых терри-
торий может быть оценена только после сравнительного анализа результатов определения оседаний с помощью данного метода и традиционных инструментальных измерений. Только после сопоставления результатов точных традиционных геодезических и интерфе-рометрических измерений можно будет сделать выводы о надежности интерферометри-ческих измерений. В настоящее время этот метод находится в стадии научно-исследовательской разработки и не может заменить традиционные высоконадежные маркшейдер-ско-геодезические методы мониторинга. Несмотря на высокую практическую перспективность, метод дифференциальной интерферометрии требует весьма серьезных аналитических и практических исследований.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кашников Ю.А. Механика горных пород при разработке месторождений углеводородного сырья / Ю.А.Кашников, С.Г.Ашихмин. М.: ООО «Недра-Бизнес-центр», 2007.
2. Cumming I.G., Wong F.H. Digital processing of synthetic aperture radar data. Norwood, MA: Artech House, Inc., 2005.
3. Curlander J.C., McDonough R.N. Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1991.
4. ESA TM-19. InSAR Principles: Guidelines for SAR Interferometry Processing and Interpretation. Noordwijk: ESTEC, 2007.
5. Rees W.G. Physical Principles of Remote Sensing. Cambridge University Press, 2001.
REFERENCES
1. Kashnikov Yu.A., Ashiknmin S.G. Rock Mechanics in Mining of Deposits of Hydrocarbon Raw Materials. Moscow.: Nedra. Business center, 2007.
2. Cumming I.G., Wong F.H. Digital processing of synthetic aperture radar data. Norwood, MA: Artech House, Inc., 2005.
3. Curlander J.C., McDonough R.N. Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1991.
4. ESA TM-19. InSAR Principles: Guidelines for SAR Interferometry Processing and Interpretation. Noordwijk: ESTEC, 2007.
5. Rees W.G. Physical Principles of Remote Sensing. Cambridge University Press, 2001.
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т. 188
