Мониторинг подработанных территорий Карагандинского угольного бассейна с использованием спутниковой радарной интерферометрии Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 528.8.042

МОНИТОРИНГ ПОДРАБОТАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ КАРАГАНДИНСКОГО УГОЛЬНОГО БАССЕЙНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВОЙ РАДАРНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

Дмитрий Владимирович Мозер

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, ст. преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии, кандидат технических наук, тел. (7212)56-26-27, e-mail: dmitri-moser@yandex.ru

Асем Сериккызы Туякбай

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистрант кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: assem_jan@mail.ru

Надежда Ивановна Гей

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистрант кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: gnadezhda2011@yandex.kz

Алексей Александрович Нагибин

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии, магистр техники и технологии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: alex_e1@mail.ru

Асель Куандыковна Сатбергенова

Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии, магистр техники и технологии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: a.satbergenova@gmail.com

В статье описывается проведенное исследование геодинамических процессов подработанных территорий города Караганды. Мониторинг проводится с использованием спутниковой радарной интерферометрии. В результате исследования получена интерферограмма сдвижений территории шахт города Караганды.

Ключевые слова: спутниковая радарная интерферометрия, геодинамический мониторинг, дистанционное зондирование Земли.

MONITORING OF THE UNDERMINED TERRITORIES OF THE KARAGANDA COAL BASIN USING SATELLITE RADAR INTERFEROMETRY

Dmitry V. Moser

Karaganda State Technical University, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, Mira Blvd. 56, Senior teacher of Surveying and Geodesy department, cand. tech. sci., tel. (7212)56-26-27, e-mail: dmitri-moser@yandex.ru

Assem S. Tuyakbai

Karaganda State Technical University, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, Mira Blvd. 56, postgraduate student of mine surveying and geodesy department, tel. (7212)56-26-27,

1

e-mail: assem_jan@mail.ru Nadezhda I. Gey

Karaganda State Technical University, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, Mira Blvd. 56, postgraduate student of mine surveying and geodesy department, tel. (7212)56-26-27, e-mail: gnadezhda2011 @yandex.kz

Alexey A. Nagibin

Karaganda state technical university, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, 56 Mira Blvd, teacher of Mine surveying and geodesy department, tel. (7212)41-11-88, e-mail: alex_e1@mail.ru

Assel K. Satbergenova

Karaganda State Technical University, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, Mira Blvd. 56, Master of Geodesy, teacher, department of Surveying and Geodesy, tel. (7212)56-26-27, e-mail: a.satbergenova@gmail.com

In article the research of geodynamic processes of the undermined territories of Karaganda city is described. Monitoring is carried out with use of a satellite radar interferometry. As a result of research the interferogram of displacement in the territory of Kostenko mine was received.

Key words: satellite radar interferometry, спутниковая радарная интерферометрия, geodynamical monitoring, earth remote sensing.

В последние десятилетие вопрос о постоянных изменениях, происходящих как на поверхности Земли, так и в ее глубинах обращает на себя особое внимание, причем эти изменения связаны не только с естественными преобразованиями земной поверхности, но и с техногенной деятельностью человека, способной радикально изменить состояние земной коры и вызвать серьезные катастрофы искусственного происхождения.

На сегодняшний день существует несколько методов мониторинга для точного и достоверного выявления оседаний земной поверхности. Традиционно для выполнения такого рода работ используется высокоточное нивелирование, GPS измерения и дистанционное зондирование земли (ДЗЗ).

Существуют компании, предлагающие свои услуги в области получения и обработки данных дистанционного зондирования Земли, в целях выявления деформаций бортов карьеров, а также природных и техногенных смещений земной поверхности, деформаций сооружений, расположенных вблизи предприятий, разрабатывающих месторождения твердых полезных ископаемых [1]. Эти данные позволяют решать вышеуказанные задачи с применением методики интерферометрической обработки серий спутниковых радиолокационных изображений. Основное преимущество метода - это независимая дистанционная оценка смещений по всей площади снимка.

Целью мониторинга с помощью радиолокационных данных является снижение рисков возникновения чрезвычайных ситуаций и уменьшение их возможных последствий за счет современного выявления смещений и деформаций земной поверхности и сооружений. Основная решаемая задача -

это регулярное получение информации о смещениях и деформациях земной поверхности и сооружений дистанционными методами.

Карагандинский угольный бассейн расположен в Карагандинской области Республики Казахстан. Он вытянут в широтном направлении на 120км, при ширине 30 км. Площадь бассейна составляет 3600км2, из них на долю угленосных отложений карбона приходится около 2000км2. Промышленные центры - города Караганда, Сарань, Шахтинск, Абай.

На долю горнодобывающей промышленности Караганды приходится около 80% всей промышленной продукции области. По сведениям официального сайта Arcelor Mittal Steel, ежегодно добыча угля в одной из ее шахт (шахта им. Костенко) составляет 1,8 млн. тонн угля в год.

В данной статье рассматривается обработка пар радарных снимков территории Карагандинского угольного бассейна, сделанных спутником ENVISAT.

Обработка радарных данных принципиально отличается от обработки оптических данных, поэтому и возникает необходимость в специализированном программном обеспечении, чтобы полностью оценить и использовать возможности космических радарных съемок. Одним из наиболее удачных и доступных программных продуктов для визуализации, анализа обработки данных ДЗЗ, включающих набор инструментов для проведения полного цикла обработки данных - ортотрансформирования и пространственной привязки изображения до получения необходимой информации и ее интеграции с данными геоинформационных систем ГИС, является программный комплекс ENVI, разработанный компанией Exelis VIS (США). Компания «Совзонд» является эксклюзивным дистрибьютором программного комплекса ENVI на территории России и стран СНГ с 2005г [2].

Обработка космических снимков производилась в программном комплексе ENVI, который был приобретен в рамках договора на грантовое финансирование № 1596 от 1 января 2012г. вместе с модулем ENVI для ОС Windows и модуль DEM. В рамках договора на грантовое финансирование № 121-13/ПО-ОК от 16 мая 2013г. был приобретен программный комплекс ENVI 5.0 и комплект поставки SARscape Basic для ОС Windows и модуль Interferometry.

Первым шагом обработки является выбор пар для интерферометрической обработки из общего числа возможных пар по некоторым критериям: максимально допустимой базовой линии и максимально допустимого временного промежутка между съемками. Временной базой называют промежуток времени, прошедший между съемкой изображений, составляющих интерферометрическую пару [3]. Пространственная база представляет собой расстояние между орбитальными положениями радиолокатора и радиолокатора при получении изображений, образующих интерферометрическую пару (рис. 1).

Инструмент "Connection Graph" программы SARscape позволяет в интерактивном и автоматизированном режиме выбрать пары для дальнейшей обработки у учетом вышеуказанных критериев. Съемки выбранные для обработки показаны на диаграмме на рис. 2 в координатах "дата съемки - базовая линия".

Рис. 1. Пространственное положение радиолокаторов, изображения с которых образуют интерферометрическую пару

Рис. 2. Иллюстрация пар снимков координатах "дата съемки - базовая линия"

Для каждой из пар в автоматизированном режиме были построены интерферограммы, дифференциальные интерферограммы, выполнены фильтрация интерферометрической фазы, расчет когерентности и развертка фазы (рис. 3). На выходе были рассчитаны смещения земной поверхности на

каждую дату съемки, результирующая карта смещений и файл точек -постоянных рассеивателей радиолокационного сигнала. Получена интерферограмма вычислений.

По результатам обработки пар радарных снимков со спутника ЕКУКАТ получены оседания в районе расположения разрабатываемых шахтных полей Карагандинской области.

Рис. 3. Интерферограмма по годам 2003_2004 - 2005_2010 - 2010_2010 на один и тот же участок местности в районе Актаса и Сарани

В проекте выполнено комплексное исследование поиска архивных снимков ENVISAT. Архивные снимки получены от Европейского космического агентства в рамках реализации проектов ID - 12532, 25 снимков со спутника ENVISAT. Расчеты показали, что с 2004 года в районе шахты Костенко начали образовываться 3 мульды оседаний. В 2010г. мульды оседаний увеличиваются. Оседания составляют в среднем 5,5см за отчетный период. На шахте Костенко в данное время проводили работы по пласту К1 по лаве 45 К1-з мощность вынимаемого пласта при этом составила 2,8м. За период 20.12.2003 и 24.01.2004 г. на трассе R -190 обнаружены оседание дороги 2,5 мм в районе шахты Новодолинская г. Шахтинск. Оседания полностью совпадают с местом добычи угольного пласта Д6. В центре поселке городского типа Шахан, Актас и Сарани также обнаружены оседания до 3 мм за отчетный период. Контроль результатов измерения был подтвержден проведенным наземным мониторингом с использованием GPS систем GS-20.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Низаметдинов Ф.К., Ожигин С.Г., Ожигина С.Б., Низаметдинов Н.Ф., Хмырова Е.Н. Состояние и перспективы развития геомеханического обеспечения открытых горных работ// "Международный конгресс Маркшейдеров": сб.материалов (Аахен, 16-20 сентября 2013г.).-Аахен , Германия-С.338- 349.

2. Кантемиров Ю.И. Обзор возможностей новой версии SARscape 4.4 // Геоматика. -2012. - № 1. - С. 22-26.

3. Низаметдинов Ф.К., Мозер Д.В., Толеубекова Ж.З., Сатбергенова А.С., Туякбай А.С., Асылбекова А.К., Опольский М.А., Гей Н.И. Разработка методики наблюдений за состоянием почв на территории Республики Казахстан с использованием дистанционного зондирования земли: Аналитический обзор. - Караганда.: КФ АО «НЦНТИ», 2013. - 34 с.

© Д. В. Мозер, А. С. Туякбай, Н. И. Гей, А. А. Нагибин, А. К. Сатбергенова, 2014