CC BY
153
УДК 528.85
А. В. Евтюшкин 1, А. В. Филатов 2
Югорский НИИ информационных технологий ул. Мира, 151, Ханты-Мансийск, 628011, Россия E-mail: 1 [email protected]; 2 [email protected]
ТЕХНОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ И ОЦЕНКИ СМЕЩЕНИЙ МЕТОДОМ РАДАРНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ *
Подвижки грунта в районах интенсивной нефтедобычи, вызванные перемещением блоков земной коры, оказывают влияние на трубопроводы, приводя их разрывам. Проведена обработка большого архива данных ENVISAT\ASAR и ALOS\PALSAR. Построены цифровые модели рельефа месторождений ХМАО. Обнаружены смещения земной поверхности, вызванные сезонными колебаниями уровня воды. Сформулированы основные принципы отбора радарных кадров и особенности интерферометрической обработки.
Ключевые слова: радарная интерферометрия, ЦМР, радар, смещения, ENVISAT, ALOS.
В последние годы все активнее для изучения природной среды применяются радиолокационные системы с синтезируемой апертурой, главным достоинством которых является возможность получения изображений независимо от состояния атмосферы и условий естественной освещенности местности. Однако физические и технические особенности формирования радиолокационных изображений не позволяют полностью использовать методы дешифрирования, применяемые для фотографических и сканерных космических снимков. Ранее [Байка-лова, Евтюшкин, 2002; Байкалова, Евтюшкин, Рычкова, 2002; Евтюшкин и др, 1997; Комаров, 1993] показана возможность применения радарных изображений для дешифрирования видового состава и повреждений лесов, выделения мореных комплексов, обнаружения следов катастрофических водных потоков.
Для высокогорного рельефа [Байкалова, Евтюшкин, 2002] исследовалась возможность совместного использования данных дистанционного зондирования и цифровых трехмерных моделей рельефа с шагом 10-45 м для распознавания и изучения гляциальных форм рельефа в отсутствие других источников информации. Сравнительный анализ результатов дешифрирования гляциальных форм рельефа на перспективных изображениях, построенных с использованием космических снимков и цифровых трехмерных моделей рельефа, построенных на основе изолиний высот топокарт, показал, что наиболее достоверно моренные комплексы выделяются, если плановое разрешение модели совпадает с разрешением снимка.
В связи с возрастающим объемом данных ДЗЗ высокого пространственного разрешения появляется потребность в создании цифровых моделей рельефа (ЦМР) с шагом сетки от 20 см до 10 м. ЦМР, построенные по радарным космоснимкам в С диапазоне (5,6 см), не обладают высокой точностью по сравнению с топокартами. Но при использовании технологии драпирования оптическими космоснимками ЦМР позволяют более информативно проводить визуальное дешифрирование разломных структур, неотектонических блоков и зон активных деформаций, необнаруживаемых при анализе плановых космоснимков. Радарные системы в силу особенностей своего построения позволяют получать дополнительную информацию о состоянии земных покровов, недоступную для фотографических и сканерных оптических систем.
В феврале 2000 г. автором в ходе миссии SRTM 1 в Кулундинской степи выполнялась установка уголковых отражателей для точной калибровки и геопривязки модели SRTM1. Плановое разрешение ЦМР для средних широт при угловом разрешении 1 сек. составляет ок. 30 м. К сожалению, после событий 11.09.2001 г. в NASA принято решение о предоставлении в открытый доступ только ЦМР с угловым разрешением 3 сек., что соответствует мет-
* Работа выполняется при поддержке проектов 07/JAXA/ASP № 0704001, ESA ENVISAT-AO ID 635 и Category-1 ID 3166.
1 См. подробнее: http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/index.html.
ISSN 1818-7900. Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. 2009. Том 7, выпуск 1 © А. В. Евтюшкин, А. В. Филатов, 2009
рическому разрешению 9G м. ЦМР SRTM3 покрывает территорию от 6G°3G' южной широты до 60°30'северной широты. Исследуемая в настоящей работе территория ХМАО находится севернее 60°30' с. ш., что ограничивает использование данных SRTM3. Есть потребность широкого круга пользователей в более высоком плановом разрешении ЦМР для северных территорий Сибири.
Разработка месторождений нефти и газа, а также других полезных ископаемых на территории Ханты-Мансийского автономного округа ведется в зоне сплошной или очаговой вечной мерзлоты, торфяных болот, промерзающих полностью зимой мелководных озер, термокарстовых провинций, зонах развития овражной эрозии в результате техногенного нарушения почвенного покрова и других негативных геодинамических процессов. Данные дистанционного зондирования дополняют наземные обследования больших площадей, направленные на обнаружение термокарстовых подвижек грунтов на нарушенных землях в зоне вечной мерзлоты и просадок грунта в местах интенсивной добычи углеводородов, шахтной добычи угля, руды, солей и других полезных ископаемых, представляющих потенциальную опасность для трубопроводов, дорог, жилых и промышленных объектов. Это позволяет предотвратить экологический ущерб от нефтезагрязнений, сократить производственные затраты при эксплуатации и ремонте магистральных и внутрипромысловых трубопроводов.
Дифференциальная радарная интерферометрия - эффективный способ оценки плановых и высотных смещений на больших площадях, вызванных происходящими геодинамическими процессами. Одним из примеров успешного применения данной технологии является картирование просадки грунта на нефтяном поле Belridge в Калифорнии в результате нефтедобычи с просадками от 1 до 6 см за период 70 дней [Gabriel, 1989].
Радиолокаторы с синтезированной апертурой антенны способны получать изображение земной поверхности независимо от времени суток и погодных условий, это исключает проблему облачности, характерную для северных территорий. Облучая земную поверхность электромагнитной волной определенной длины (X, C, L, P - диапазон), прибор записывает в комплексном виде отраженный сигнал, что позволяет восстановить амплитуду и фазу для каждого элемента разрешения. Применение интерферометрического подхода превращает радиолокационные спутники из средства наблюдения в средства измерения. В обработке участвуют два изображения, полученные сенсором при одновременной съемке с двух разных точек (миссия SRTM) или при повторном пролете космического аппарата (КА) над одной и той же территорией. В результате манипуляции с фазой сигналов можно получить возвышение одного отражающего элемента поверхности относительно другого, из чего в дальнейшем построить ЦМР; а также обнаружить смещения, произошедшие за время между съемками [Евтюшкин, Филатов, 2008. С. 263].
В настоящее время на орбите находятся КА с радиолокаторами с синтезированной апертурой антенны, выполняющие съемку в различных диапазонах длин волн. В работе используются данные следующих сенсоров.
ERS-2\SAR. Оператор - Европейское космическое агентство (ESA). Длина волны 5,6 см (С-диапазон), VV-поляризация, период повторной съемки 35 суток. Данные с 2005 г. оперативно принимаются в ЮНИИ ИТ на приемный комплекс ТПА 9Н.
ENVISAT\ASAR. Оператор - ESA. Длина волны 5,6 см (С-диапазон), VV, HH, VH и HV-поляризации, период повторной съемки 35 суток. Составлена 41 интерферометрическая пара из полученных 57 кадров за период с 2003 по 2004 г.
ALOS\PALSAR. Оператор - Японское аэрокосмическое агентство (JAXA). Длина волны 23 см (L-диапазон), VV, HH, VH и HV-поляризации, период повторной съемки 46 суток. В рамках гранта предоставляются 150 сцен за период с 2006 по 2009 г.
TerraSAR-X. Оператор - InfoTerra (Германия). Длина волны 3 см (X-диапазон), VV, HH, VH и HV-поляризации, период повторной съемки 11 суток. 7 кадров за период с 2007 по 2GGS г.
Для интерферометрической обработки разработано большое количество программного обеспечения, как коммерческого (SARscape, ERDAS Imagine, Gamma, Photomod RADAR), так и свободно распространяемого в исходных кодах (DORIS, RAT, ROI PAC). В настоящей
работе использованы программы DORIS, для пакетной предварительной обработки данных и SARscape, для расчета ЦМР и смещений. Стандартный процесс интерферометрической обработки, реализованный в рассмотренном программном обеспечении, состоит из следующих основных этапов (рис. 1).
Рис. 1. Этапы интерферометрической обработки
Фаза интерферограммы складывается из нескольких составляющих:
ф = ф + ф,,.+ф +ф (1)
^ ^ горо^ ^ def ~ ^ аШ^ ^ п ' V-1/
где Фгоро - фазовый набег за счет обзора топографии под двумя разными углами; Ф^ - фазовый набег за счет смещения поверхности в период между съемками; ФаШ - фазовый набег за счет различия длин оптических путей из-за преломления в среде распространения сигнала; Фп - вариации фазы в результате электромагнитного шума [Филатов, 2006]. Последние две составляющие не несут информации о топографии поверхности, поэтому с помощью коррекции и фильтрации исключаются.
4пВ±
Ф, =--—:
topo Xr sin ©
Ф
flat _ earth '
(2)
где B1 - перпендикулярная составляющая базовой линии, соединяющей положения КА при повторной съемке, конкретной точки земной поверхности; © - угол обзора поверхности при первом пролете; X - длина волны сканирующего излучения; r - расстояние между антенной и точкой на поверхности; z - высота поверхности на опорным эллипсоидом; Ф/ьа earth - предопределенная фаза, рассчитанная из модели опорного эллипсоида.
Устранение мешающей составляющей Ф/^ earth необходимо для уменьшения высокочастотных переходов фазы, возникающих на интерферограмме вследствие разницы расстояния проходимого сигналом при съемке с разных положений, а также переходов, вносимых рельефом поверхности. Информацией для расчета Ф/ы^гИг может служить цифровая модель рельефа низкого разрешения, в качестве которой можно использовать ЦМР Global Topo 30 или векторизованные топографические карты масштабов 1 : 100 000, 1 : 200 000. Размер пиксела Global Topo 30 составляет ок. 500 м для средних широт, неточность привязки и искажения в местах сшивки отдельных частей карт делают этот рельеф грубым и могут испортить интер-ферометрическую фазу. Оцифровка изолиний и отметок высот на топографических картах и
Ф/ =—¿r . (3)
дальнейшая интерполяция с целью получения однородной сетки - достаточно трудоемкий процесс, что увеличивает время построения ЦМР. В ходе интерферометрической обработки данных разных спутников установлено, что наилучшим вариантом опорного рельефа является поверхность с постоянной высотой, значение которой вычисляется как среднее из ЦМР Global Topo 30 на область, покрываемую радарным снимком. В этом случае не возникает необоснованных резких всплесков фазы, а остаточные неопределенности, вызванные диапазоном регистрации фазы отраженного сигнала радаром от 0 до 2п, устраняются на этапе развертки фазы.
Величина смещения земной поверхности Ar произошедшего за время между повторными съемками отражается в фазовой составляющей
4п
т
Из уравнений (1)-(3) следует, что интерферометрическая фаза Ф содержит информацию как о рельефе, так и о смещении, при этом проявляется тем больше, чем больше значение Б]_, т. е. чем дальше находится спутник при своем повторном пролете от первого положения. Расчет ЦМР на основе данных PALSAR показал, что успешное восстановление рельефа возможно при длине перпендикулярной составляющей базовой линии более 3 000 м. Тогда как построение карты смещений необходимо выполнять при условии, что Б± не превышает 1 000 м, в этом случае разница в углах обзора поверхности незначительна, сигнал при первом и повторном пролете проходит по близким путям и за счет этого дополнительно возрастает пространственная корреляция сигналов.
Когерентность Coh является величиной применимости пары радарных снимков для ин-терферометрической обработки и уменьшается в виду пространственной и временной декор-реляции и шума вносимого в сигнал при распространении и отражении:
S1S2
Coh = ■
где S1 и S2 - комплексные значения отраженного сигнала для первого (master) и второго (slave) снимков.
Значение когерентности близкое к 1 свидетельствует о стабильности интерферометрической фазы, тогда как низкая величина - о разрушении фазы регистрируемых сигналов.
Применение критерия когерентности к архивным снимкам ASAR позволило установить, что для ландшафтов севера Западной Сибири наиболее благоприятным временным периодом для получения устойчивых к временной декорреляции интерферограмм является лето-осень. В этот период наблюдаются наименьшие изменения в структуре растительных покровов, являющихся основным маскирующим фактором [Евтюшкин, Филатов, 2008. С. 195].
В ходе детального анализа разновременных радарных снимков ASAR на территории ХМАО также установлена зависимость между когерентностью и ландшафтом поверхности: наибольшей когерентностью обладают открытые пространства и техногенные территории, тогда как густой лес, вырубки и водные объекты имеют низкую когерентность. Интерферо-метрические пары PALSAR обладают более высокой средней когерентностью и позволяют получать достоверные результаты для большего числа типов природных ландшафтов. Однако при обработке пар кадров с пространственной базой более 3 000 м восстановление рельефа областей, покрытых густым лесом, затруднено из-за пространственной декорреляции сигнала, а полученная модель отражает высоту огибающей верхушек деревьев вместо минеральной поверхности.
В процессе интерферометрической обработки важной дополнительной информацией являются наземные контрольные точки необходимые для геопривязки снимков, указания истинных высот элементов рельефа на этапе коррекции орбиты и построении ЦМР в абсолютных величинах. Летом 2007 г. проведены подспутниковые синхронные эксперименты с установкой уголковых отражателей для ERS-2. Для отработки технологии определения вертикальных смещений грунтов использовались отражатели в форме треугольника, трихедрала и дихедрала с размером ребра от 1 до 2,5 м. Стационарный уголковый отражатель с ребром 1,25 м установлен на территории метеостанции Ханты-Мансийск с июня 2007 г. Для дневных
и ночных витков ERS-2 выполняется разворот уголка. Для отдельных ночных витков разворот на спутник не выполнялся, что позволило зафиксировать фоновое отражение от ровной поверхности метеоплощадки. При обработке 6 нисходящих витков ERS-2 установлено, что уголковый отражатель с ребром 1,25 м повышает уровень обратного рассеяния до 10 раз.
При анализе изображений TerraSAR-X, ASAR и PALSAR на различные территории ХМАО установлено, что превышение фонового уровня обратного рассеяния в фазовых центрах искусственных и техногенных уголковых отражателей для амплитудных изображений в X, C, L-диапазонах составляет от 10 до 200 раз. В связи с этим предлагается использовать для геопривязки и совмещения разновременных пар радарных кадров на основе доплеров-ского подхода яркие точки от объектов нефтедобычи, являющихся техногенными уголковыми отражателями. Точности определения координат отражателей с помощью картографических GPS-навигаторов достаточно для дальнейшей обработки радарных кадров.
Исходя из принципов интерферометрической обработки и особенностей, накладываемых специфичностью исследуемой территории, по данным ASAR и PALSAR построены ЦМР и карты смещений некоторых территорий интенсивной нефтедобычи ХМАО. Наибольшей точностью обладают ЦМР на территорию Самотлорского месторождения, полученные по данным летней съемки PALSAR (06.07.2008-21.08.2008; базовая линия 3 470 м). При сравнении с рельефом, восстановленным по топографическим картам масштаба 1 : 200 000, средне-квадратическая ошибка составляет 5,331 м.
Ранее методом двухпроходной радарной интерферометрии на территорию Федоровского месторождения с использованием данных ASAR (C-диапазон) за летний период 2004 г. построена карта смещений, отражающая изменения, произошедшие за период 35 суток [Евтюшкин, Филатов, 2008. С. 195]. Аналогичные расчеты произведены с применением радарных кадров PALSAR (L-диапазон) для территории Самотлорского месторождения и выявлены участки торфяных болот с вертикальными смещениями от - 4 до 4 см за период 46 суток (рис. 2).
Рис.2. Вертикальные смещения на Самотлорском месторождении
Установлено, что в летний период отрицательные смещения связаны с разгрузкой болот в речную сеть, положительные - с поднятием уровня воды в торфяных болотах на границе бессточных областей и антропогенных (объекты нефтедобычи) площадей. В октябре 2007 г. в ходе полевых обследований были качественно подтверждены смещения на торфяных болотах, связанные с межсезонным изменением уровня воды. Колебания уровня болот являются периодическими и в данном случае мешают обнаружению смещений, связанных с движением грунта, поэтому важной задачей является исключение этой составляющей из фазы Ф^.
В ЮНИИ ИТ накоплен значительный архив оперативно принимаемых c 2005 г. радарных данных ERS-2. На урбанизированные территории европейской части России и Урала число повторных орбит достигает 30, что позволяет провести обработку по методу устойчивого интерферометрического рассеивателя - Persistent Scatterer Interferometry (PSI) 2. При наличии большого числа повторных съемок одной территории возможно определение скорости вертикальных смещений техногенных ландшафтов, представленных в виде набора ярких точек, являющихся устойчивыми отражателями, на основе метода PSI. При обработке 20-60 кадров достигается миллиметровая точность положительных или отрицательных вертикальных смещений. Проведенные подспутниковые эксперименты с небольшими по размеру уголковыми отражателями подтверждают возможность их использования при обработке данных ERS-2 методом PSI в качестве контрольных точек геопривязки.
С помощью полученных результатов можно сделать выводы и сформировать критерии отбора и применимости данных для построения рельефа местности и оценки смещений методом радарной интерферометрии:
• в условиях слаборасчлененного рельефа допустимо использование в качестве опорного рельефа поверхности с постоянной высотой;
• наиболее когерентными являются пары снимков, снятых в летний и осенний сезоны, когда происходят наименьшие изменения в структуре растительных покровов;
• фаза сигнала C-диапазона, отраженного от поверхности грунта и мелкой растительности на болотах, менее подвержена временной декорреляции;
• применение сенсора с большей длиной волны (PALSAR) позволяет исключить маскирующее влияние мелких растительных покровов при построении ЦМР и расчета смещений;
• применение в качестве наземных контрольных точек географических координат объектов нефтедобычи, полученных при помощи GPS-измерений, позволяет повысить точность привязки радарных кадров;
• по интерферометрическим парам PALSAR с пространственной базой более 3 км возможно построение ЦМР соответствующих по точности топографическим картам масштаба 1 : 50 000.
Таким образом, интерферометрическая технология обработки радарных изображений позволяет обнаруживать мелкомасштабные сезонные смещения отражающей дневной поверхности за время между съемками и восстанавливать рельеф с учетом растительных покровов. Использование повторных радарных кадров с интервалом 1-2 года предоставляет возможность картирования долговременных вертикальных смещений, вызванных разработкой нефтегазовых месторождений. ЦМР, полученная методом радарной интерферометрии, пригодна для использования в ГИС-пакетах различного назначения без дополнительной обработки.
Список литературы
Байкалова Т. В., Евтюшкин А. В. Выделение мореных комплексов плоскогорья Укок на космических радарных и сканерных изображениях с использованием трехмерной цифровой модели рельефа // Изв. Алт. гос. ун-та. 2002. № 3. C. 72-76.
Байкалова Т. В., Евтюшкин А. В., Рычкова Н. В. Применение радарных и оптических изображений для обнаружения следов катастрофических водных потоков в междуречье Бия-Катунь // Изв. Алт. гос. ун-та. 2002. № 1. C. 57-62.
Евтюшкин А. В., Комаров С. А., Лукьяненко Д. Н., Миронов В. Л. Классификация земных покровов по радиолокационным изображениям // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. № 12. С. 1508-1512.
2 См. подробнее: http://www.terrafirma.eu.com.
Евтюшкин А. В., Филатов А. В. Мониторинг сезонных деформаций земной поверхности методом радарной интерферометрии по данным ENVISAT\ASAR и ALOS\PALSAR // Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования: Материалы IV Науч.-практ. конф. Ханты-Мансийск: Полиграфист, 2008. С. 195-201.
Евтюшкин А. В., Филатов А. В. Мониторинг деформаций земной поверхности методом радарной интерферометрии по данным ENVISAT\ASAR и ALOS\PALSAR // Контроль и реабилитация окружающей среды: Материалы симпозиума / Под ред. М. В. Кабанова, А. А. Тихомирова. VI Междунар. симпозиум, Томск, 3-5 июля 2008 г. Томск: Аграф-Пресс, 2008. С. 263-265.
Комаров С. А., Миронов В. Л., Романов А. Н., Евтюшкин А. В., Оскорбин Н. М. Методы дистанционного зондирования техногенных загрязнений в оптическом и радиодиапазонах // Оптика атмосферы и океана. 1993. Т. 6, № 11. С. 53-59.
Филатов А. В. Обнаружение подвижек земной поверхности в зоне интенсивной нефтедобычи методами радарной интерферометрии // Вестн. Югор. гос. ун-та. 2006. № 4. С. 103-109.
Gabriel A. K., Goldstein R. M., Zebker H. A. Mapping small elevation changes over large areas: differential radar interferometry // J. Geophys. Res. 1989. Vol. 94 (B7). P. 9183-9191.
Материал поступил в редакцию 30.09.2008
A. V. Evtyushkin, A. V. Filatov INSAR TECHNOLOGY FOR DEM CONSTRUCTION AND DISPLACEMENT ESTIMATION
Ground displacements in area of intensive oil production induced by crust blocks movement influence on pipelines leading to its destruction. Processing of great archive of ENVISAT\ASAR and ALOS\PALSAR radar data was carried out. Digital elevation models of oilfields in KHMAO region were constructed. Surface displacements caused by seasonal water level fluctuation were detected. Common principles of radar frames selection and interferometric processing features were formulated.
Keywords: InSAR, DEM, radar, displacements, ENVISAT, ALOS.
