CC BY
64УДК 528.7, 528.8.044.2, 528.873.044.1
МОНИТОРИНГ СМЕЩЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ДАННЫХ РАДАРНОЙ СЪЕМКИ
В. Е. Джунисбекова, Б. К. Курманов, А. Ж. Бибосынов, А. В. Иванчукова, А. В. Кирсанов
ДТОО «Институт ионосферы» Республика Казахстан, 050020, г. Алматы, Каменское плато. E-mail: veneraerbolat@gmail.com
Рассматриваются результаты мониторинга по данным космической радарной съемки с применением дифференциальной интерферометрии для выявления смещений и деформаций земной поверхности и сооружений.
Приведены результаты практических реализаций технологии радарного интерферометрического выявления смещений земной поверхности в виде методик интерферометрии малых базовых линий (Small Baselines Interferometry), постоянных рассеивателей (Persistent Scatterers interferometry) и парных постоянных рассеива-телей (PSP-IfSAR) и анализ полученных результатов.
Ключевые слова: радарная интерферометрия, мониторинг смещений земной поверхности, дифференциальная интерферометрия.
MONITORING OF EARTH'S SURFACE DISPLACEMENTS USING SAR DATA
V. E. Dzhunisbekova, B. K. Kurmanov, A. Zh. Bibosynov, A. V. Ivanchukova, A. V. Kirsanov
Institute of Ionosphere
Kamenskoe plato, Almaty, 050020, Republic of Kazakhstan. E-mail: veneraerbolat@gmail.com
The article considers the results of monitoring according to space radar data using DInSAR interferometry to detect displacements and deformations of the Earth's surface and structures.
The results of practical implementations of radar interferometer technology for detection of Earth's surface displacements in the form of methods of small baseline interferometry (Small Baselines Interferometry), permanent scatterers (Persistent Scatterers interferometry) and paired permanent scatterers (PSP-IfSAR) and analysis of the results are presented.
Keywords: SAR interferometry, ground displacements monitoring, DInSAR.
Исследование данной работы лежит в области, где все более широкое применение находит метод дифференциальной интерферометрии или интерферометриче-ская обработка данных многопроходных космических радарных съемок, который позволяет выявлять проседания на высоком - миллиметровом - уровне точности.
Актуальность исследования заключается в том, что дифференциальная радиолокационная интерферометрия (ДРИ) представляет собой эффективное средство прямого картирования подвижек земной поверхности и деформаций сооружений.
Основной информацией, получаемой в результате радарной съемки, являются амплитуда и фаза. Повторная радарная съемка позволяет определить разность фаз, обусловленную, например, сдвижением земной поверхности. Такие смещения могут быть определены при обработке данных радарной съемки в специализированных программных продуктах по различным методикам.
Принципиальное преимущество ДРИ перед другими методами мониторинга вертикальных и латеральных деформаций заключается в прямом замере различий в рельефе, произошедших за период между двумя (тремя, четырьмя) съемками.
Получаемый в результате интерферометрической обработки файл сдвижения, как правило, показывает интегральную картину смещений.
Объектом исследования являются примеры реальных проектов по мониторингу смещений земной поверхности, где используются данные коммерческих радарных спутников. В Институте ионосферы широкое применение технологии радарной интерферометрии для задач мониторинга смещений земной поверхности на месторождениях полезных ископаемых с применением данных коммерческих радарных спутников началось в 2011 году, когда совместно с компанией «СОВЗОНД» был выполнен проект по мониторингу смещений на территории разрабатываемого нефтегазового месторождения Тенгиз (Республика Казахстан). Основные результаты мониторинга смещений земной поверхности на этом месторождении приведены в работах [1-4].
Была выполнена интерферометрическая обработка 33-проходной цепочки данных спутника ENVISAT по методу малых базовых линий (SBas), реализованному в программном комплексе ENVI-SARscape (Exelis VIS, США). Именно обработка по этому методу была выбрана для получения основного результата по данным ENVISAT за 2004-2009 годы, а именно: для статистически выверенной оценки смещений земной поверхности над месторождением Тенгиз, произошедших за рассматриваемый период.
Результирующая модель смещений земной поверхности и модель среднегодовых скоростей верти-
Решетневские чтения. 2013
кальных смещений над месторождением Тенгиз за период с 2004 по 2009 гг. в цветовом кодировании представлена на рис. 1.
Результаты мониторинга смещений земной поверхности, произошедших над месторождением Тен-гиз с 2004 по 2009 годы и зарегистрированных в ходе интерферометрической обработки радарных данных ENVISAT, показали наличие монотонных во времени оседаний земной поверхности над районом активной добычи углеводородов из этого месторождения. Оседания хорошо описываются линейным законом. Скорость оседаний в центре зарегистрированной мульды достигает 20 мм в год.
В 2013 году были выполнены работы по выявлению смещений и деформаций земной поверхности и сооружений в городе Астане, результаты которых приводятся ниже.
В случае мониторинга смещений и деформаций в городе Астане были применены технологии интерферометрии серий малых базовых линий (Small Baselines Series interferometry, или сокращенно SBas), интерферометрии постоянных рассеивателей (Persistent Scatterers interferometry) и парных постоянных рассеивателей (PSP-IfSAR), реализованных в программных комплексах ENVI-SARscape (Exelis
VIS, США) и PSP-IfSAR (e-GEOS, Италия). Основные -и наиболее точные - результаты получены с использованием технологии PSP-IfSAR.
Для всех 30 пар снимков был выполнен полный цикл интерферометрической обработки, после чего проведен поиск устойчиво отражающих точечных целей с когерентностью выше 0,7, и для каждой из этих точек вычислен замер смещений. В результате получены 527 000 точек, показанные на рис. 2.
Для обработки по методу PSP-IfSAR был выбран участок территории Астаны размерами 10x10 км. На этом участке выявлено 442 000 точек - постоянных рассеивателей радарного сигнала, т. е. в среднем 4 420 точек на кв. км. Для каждой точки вычислены величины смещений в миллиметрах по состоянию на каждую дату съемки. Дополнительно рассчитаны среднегодовая скорость смещений в миллиметрах в год, а также высота в метрах над эллипсоидом WGS-84.
Результат визуально выглядит качественно, зашумленность низкая, четко отделяются стабильные точки от смещающихся. Именно результат обработки PSP-IfSAR использован для дальнейшего анализа смещений и деформаций отдельных зданий и сооружений и их частей (рис. 3).
Рис. 1. Мульда оседания земной поверхности над месторождением Тенгиз за период с 2004 по 2009 год,
зарегистрированная по данным ЕЫУКАТ
/ • / :v " ■■■■■: V 0Й01шШйъ: -^шШ^ШёШ^к
щштшт
*SP®*»8"
Рис. 2. Постоянные рассеиватели радарного сигнала, выявленные по методу Р8 на территории Астаны
и прилегающих территорий
Рис. 3. Постоянные рассеиватели радарного сигнала, выявленные по методу РБ, увеличение на застроенную территорию Астаны
Наиболее качественные и высокоточные результаты мониторинга смещений и деформаций зданий и сооружений по результатам обработки достигается при использовании метода РБР-ШЗАЯ. Результаты, полученные по методам ББа8 и РБ, носят в случае застроенной городской территории вспомогательный характер и могут быть использованы в качестве дополнительного источника информации о смещениях.
На территориях с растительностью применяются все вышеуказанные технологии в комплексе, при необходимости производится изменение настроек (усиление фильтрации интерферограмм, понижение порога когерентности при развертке фазы, понижение ожидаемой пространственной плотности постоянных рассеивателей и т. д.). Точность этих методов многократно проверена по данным наземных инструментальных наблюдений.
Представляется целесообразным применение радарных интерферометрических методов для мониторинга смещений и деформаций земной поверхности и сооружений на месторождениях полезных ископаемых, в городах, для мониторинга критических промышленных сооружений, трубопроводов, авто- и железных дорог и других объектов.
Библиографические ссылки
1. Жантаев Ж. Ш., Бибосынов А. Ж., Фремд А. Г., Иванчукова А. В. Наземно-космический мониторинг Прикаспийского региона и сопредельных территорий // Известия НАН РК. 2012. № 4. С. 58-63.
2. Жантаев Ж. Ш., Фремд А. Г., Иванчукова А. В., Калдыбаев А. А., Нуракынов С. М., Кантемиров Ю. И., Никифоров С. Э. Космический радарный мониторинг смещений земной поверхности над нефтегазовым месторождением Тенгиз // Геоматика. 2012. № 1. С. 61-71.
3. Иванчукова А. В. Мониторинг деформаций земной поверхности в местах добычи полезных ископаемых методами ДЗЗ // Материалы 4-й конф. молодых ученых и студентов. 25-26 апреля 2012 г., Бишкек. C. 46-47.
4. Жантаев Ж. Ш., Фремд А. Г., Иванчукова А. В. Технология обработки радиолокационных данных для мониторинга деформаций земной поверхности для месторождения Тенгиз // Информатизация общества : тр. 3 Междунар. конф. Астана, 2012. C. 313-315.
References
1. Zhantayev Zh. Sh., Bibossynov A. Zh., Fremd A. G., Ivanchukova A. V. Nazemno-kosmicheskiy monitoring Prikaspiyskogo regiona i sopredel'nykh territoriy. Izvestiya NANRK. 2012 № 4, pp. 58-63.
2. Zhantayev Zh. Sh., Fremd A. G., Ivanchukova A. V., Kaldybayev A. A., Nurakynov S. M., Kantemirov Yu. I., Nikiforov S. E. Kosmicheskiy radarnyy monitoring smeshcheniy zemnoy poverkhnosti nad neftegazovym mestorozhdeniyem Tengiz // Geomatika. 2012. № 1, pp. 61-71.
3. Ivanchukova A. V. Monitoring deformatsiy zemnoy poverkhnosti v mestakh dobychi poleznykh iskopayemykh metodami DZZ // Materialy 4-y konferentsii molodykh uchenykh i studentov», 25-26 aprelya 2012, Bishkek, pp. 46-47.
4. Zhantayev Zh. Sh., Fremd A. G., Ivanchukova A. V. Tekhnologiya obrabotki radiolokatsionnykh dannykh dlya monitoringa deformatsiy zemnoy poverkhnosti dlya mestorozhdeniya Tengiz // Trudy 3 mezhdunarodnoy konferentsii Informatizatsiya obshchestva. Astana, 2012, pp. 313-315.
© Джунисбекова В. Е., Курманов Б. К., Бибосынов А. Ж., Иванчукова А. В., Кирсанов А. В., 2013
