Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Новые методы обработки и интерпретации данных радарной спутниковой интерферометрии

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Новые методы обработки и интерпретации данных радарной спутниковой интерферометрии"

Институт физики Земли имени О. Ю. Шмидта РАН

На правах рукописи

Дмитриев Павел Николаевич

НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ РАДАРНОЙ СПУТНИКОВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

Специальность 25.00.10 Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ь т 2014

Москва — 2014

005544382

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ИФЗ РАН).

Научный руководитель:

Михайлов Валентин Олегович, доктор физико-математических наук, профессор зав. лабораторией 502 ИФЗ РАН

Официальные оппоненты:

Бойков Владимир Васильевич, доктор технических наук, профессор, главный специалист по навигации департамента навигационных систем и услуг ОАО «Научно-производственная корпорация «РЕКОД»».

Василейский Александр Сергеевич, кандидат физико-математических наук, руководитель Центра внедрения космических технологий ОАО "Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте" (НИИАС), дочернее предприятие ОАО «РЖД».

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизический центр Российской академии наук (ГЦ РАН), г. Москва

Защита диссертации состоится 23 января 2014 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 002.001.01 при ИФЗ РАН по адресу: 123995, Москва, Д-242, Б. Грузинская ул., 10, 3-й этаж, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФЗ РАН. Автореферат размещен на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации vak.ed.gov.ru и на сайте института www.ifz.ru.

Автореферат разослан _2013 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор физико-математических наук О.Г. Онищенко

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования

В последние годы все более широкое распространение получают методы оценки малых смещений земной поверхности, основанные на применении радаров с синтезированной' апертурой (спутниковая РСА интерферометрия или ¡пБАЯ). РСА интерферометрия имеет ряд преимуществ перед наземными методами. Один радарный снимок покрывает площадь до 100 км2 и более. Ячейка разрешения составляет 20 м * 20 м и менее. Интервал повторной съемки составляет от 35 "дней до 6 дней для различных спутников. Точность оценки смещений составляет первые сантиметры, точность оценки средних скоростей смещений по сериям снимков - первые мм/год. Огромным преимуществом радарной интерферометрии является возможность получать и анализировать архивные снимки, начиная с 1992 г. Это позволяет в частности опробовать новые методы обработки и интерпретации на известных событиях.

РСА интерферометрия применяется при изучении смещений природных и техногенных объектов. В числе природных объектов отметим изучение косейсмических и постсейсмических процессов, мониторинг оползневых процессов, динамики ледников, деформаций поверхности вулканов. Очень широк перечень техногенных объектов мониторинга. Это области разработки нефтяных и газовых месторождений, просадки над шахтами, тоннелями, мониторинг стабильности мостов и эстакад и многие другое. Значительные просадки могут приводить к деформациям зданий и сооружений, поэтому их мониторинг крайне важен для обеспечения безопасности жизнедеятельности и снижения рисков повреждения и утраты объектов инфраструктуры.

До настоящего времени методы спутниковой интерферометрии не получили в нашей стране должного распространения, несмотря на то, что областью их применения, в частности, является такая важная для России

отрасль народного хозяйства, как разработки нефтяных и газовых месторождений.

Принимая во внимание сложность процесса обработки РСА данных, их зависимость от климатических, географических и других особенностей исследуемой территории, кране важной представляется задача разработки новых методов обработки и интерпретации РСА данных, позволяющих повысить точность оценки полей смещений техногенных и природных объектов.

Цель работы

Целью настоящей работы является создание и применение новых методов обработки и интерпретации данных дифференциальной спутниковой РСА-интерферометрии для оценки деформаций земной поверхности, в частности при мониторинге оползневых склонов и областей разработки полезных ископаемых.

Основные задачи

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

1. Анализ теоретических основ и опыта применения спутниковой радиолокации с синтезированной апертурой (РСА) и метода дифференциальной РСА-интерферометрии. Анализ преимуществ, недостатков и ограничений метода. Исследование метода как инструмента для оценки составляющих смещений земной поверхности. Анализ алгоритмов обработки радиолокационных данных по методу РСА-интерферометрии и методов интерпретации результатов обработки.

2. Совершенствование методики обработки данных дифференциальной РСА интерферометрии для устранения помех в условиях отсутствия априорных знаний о наличии и расположении стабильных

участков земной поверхности. Практическое применение усовершенствованной методики для анализа смещений оползневого склона в районе пос. Кепша на новой трассе Адлер - Красная поляна. Демонстрация эффективности разработанной методики посредством сравнения результатов ее применения с результатами мониторинга данного оползневого склона, выполненных стандартным способом обработки.

3. Совершенствование методики интерпретации результатов обработки данных дифференциальной РСА интерферометрии посредством разработки нового метода восстановления полного вектора смещений для оползневых склонов. Практическое применение разработанного метода для анализа малых смещений оползневого склона в районе пос. Кепша.

4. Разработка нового метода аппроксимации поля смещений в направлении на спутник и расчета трех компонент вектора смещений в областях эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. Применение разработанного метода для аппроксимации поля смещений в районе г. Альметьевска (Ромашкинское нефтяное месторождение, Республика Татарстан).

Научная новизна исследования

1. Предложен новый метод выбора «области отсчета» при обработке данных дифференциальной РСА интерферометрии, который позволяет эффективно подавлять помехи в условиях отсутствия априорных знаний о наличии и расположении стабильных участков земной поверхности.

2. Разработан метод восстановления полного вектора смещений, использующий результаты обработки РСА-данных с двух спутниковых треков и цифровую модель рельефа местности, применимый для оценки смещений оползневых • участков или ледников, в предположении, что поверхность, по которой смещаются эти объекты, конформна земной поверхности.

3. Разработан метод расчета трех компонент вектора смещений по данным РСА интерферометрии, применимый для областей разработки нефтяных и газовых месторождений и основанный на уравнениях, задающих смещения на поверхности упругого или вязкоупругого полупространства в результате изменения давления в областях заданной конфигурации. Метод численно реализован с использованием уравнений для малых сферических объемов, которые позволяют построить эффективный метод численного решения. Величины изменения давления определяются путем минимизации функционала, составленного из невязок между расчетными и измеренными (наблюденными) данными. Метод позволяет включать в рассмотрение любые геодезические наземные и спутниковые данные, которые имеются для исследуемого объекта: точечные данные о смещениях устойчиво отражающих площадок во времени, парные интерферограммы, точечные данные спутниковой геодезии и профильные данные наземной геодезии. Важно, что метод работает при любом объеме данных, в том числе решение можно получить только по данным РСА-интерферометрии, когда наземных геодезических данных нет.

Практическая значимость исследования

1. Разработанный новый метод выбора «области отсчета» при обработке данных спутниковой РСА интерферометрии позволяет эффективно подавлять помехи.

2. Разработан метод восстановления полного вектора смещений устойчиво отражающих площадок, использующий результаты обработки РСА-данных с двух треков и цифровую модель рельефа местности. Метод предназначен для оценки полей смещений оползневых склонов или ледников и основан на предположении, что поверхность, по которой смещаются эти объекты, конформна земной поверхности.

3. Разработан метод расчета трех компонент вектора смещений по данным РСА интерферометрии и данным геодезии, применимый для областей разработки нефтяных и газовых месторождений. Метод основан на предположении, что смещения земной поверхности происходят в результате изменения давления в процессе отбора углеводородов и закачки вытесняющего флюида. Работа методики продемонстрирована на примере анализа смещений в районе г. Альметьевска (Ромашкинское нефтяное месторождение, Республика Татарстан).

4. Разработанные методы выбора «области отсчета» и восстановления полного вектора смещений, использующие результаты обработки РСА-данных и цифровую модель рельефа местности, позволили провести мониторинг оползневых склонов в районе пос. Кепша у новой совмещенной автомобильной и железнодорожной трассы Адлер - Красная поляна в сложных условиях изрезанного рельефа и густой растительности Кавказа.

Положение, выносимые на защиту

1. Метод выбора «области отсчета», позволяющий при обработке данных дифференциальной РСА интерферометрии эффективно устранять помехи в условиях отсутствия априорных знаний о наличии и расположении стабильных участков земной поверхности.

2. Метод восстановления полного вектора смещений, использующий результаты обработки РСА-данных и цифровую модель рельефа местности, применимый для мониторинга оползневых участков или ледников, в предположении, что поверхность, по которой смещаются эти объекты, конформна земной поверхности.

3. Метод расчета всех компонент вектора смещений по данным РСА интерферометрии, применимый для областей разработки нефтяных и газовых месторождений и основанный на уравнениях, задающих смещения

на поверхности упругого или вязкоупругого полупространства в результате изменения давления в областях заданной конфигурации.

4. Оценка активности оползневого склона в районе пос. Кепша на новой трассе Адлер - Красная Поляна, скорость и направление смещения оползневых масс.

5. Оценки поля смещений земной поверхности в районе г. Альметьевска (Ромашкинское нефтяное месторождение, Республика Татарстан), величины и направления истинных смещений земной поверхности.

Апробация результатов исследования и публикации

Часть из вошедших в диссертацию результатов получена в рамках проекта РФФИ 12-05-31127 (руководитель Дмитриев П.Н.) и Минобрнауки (госконтракт № 16.515.11.5032).

По материалам диссертации опубликовано 2 работы в журналах, входящих в список ВАК, 1 статья подана в печать. Подана заявка на изобретение «Способ определения трех компонент вектора смещений земной поверхности при разработке нефтяных и газовых месторождений».

Основные результаты были представлены на 9, 10 и 11 открытых Всероссийских конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН в 2011-2013 гг„ на конференции Европейского космического агентства Fringe-2011, Frascatti, Italy, на конференции "Advances in Geological Remote Sensing" GRSG Annual General Meeting 2011 Including the 2011 Oil and Gas industry workshop 7Л-9'Ь December 2011, ESA ESRIN, Frascati, Italy, конференции ESA Living Planet Symposium Европейского космического агентства (Эдинбург, Англия, 9-13 сентября 2013), на конференции молодых ученых ИФЗ РАН 2011 г. конференции ИСУЖТ-2103, РЖД, Москва, 21-22 октября 2013.

Личный вклад автора

1. Разработка метода выбора «области отсчета» при обработке данных дифференциальной РСА интерферометрии, предназначенного для подавления помех в условиях отсутствия априорных знаний о наличии и расположении стабильных участков земной поверхности. Разработка программ на языке Python, реализующих разработанную методику как дополнительный модуль, надстраиваемый на программный комплекс StaMPS.

2. Разработка метода восстановления полного вектора смещений устойчиво отражающих площадок для оползневых склонов, основанного на предположении, что смещений происходит под действием силы тяжести по поверхности, конформной дневной поверхности выполнена совместно с В.О. Михайловым. Практическая реализация метода и его применение при анализе данных по оползневому склону в районе пос. Кепша выполнены самостоятельно.

3. Разработка метода восстановления трех компонент вектора смещений для областей разработки месторождений нефти и газа, основанного на математическом моделировании смещений земной поверхности в результате изменения давления в блоках месторождения, выполнена совместно с В.О. Михайловым. Практическая реализация метода и его применение при анализе данных по Ромашкинскому нефтяному месторождению выполнены самостоятельно.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 124 страницы машинописного текста, в том числе 10 таблиц, 29 рисунков и список использованных литературных источников из 100 наименований.

Благодарности

Автор выражает большую благодарность своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору В. О. Михайлову за неизменное внимание, грамотно поставленные задачи, ценные обсуждения физических основ РСА-интерферометрии, помощь в процессе написания работы и расширение кругозора.

Автор выражает искреннюю признательность своим коллегам В.И. Голубеву, Е. А. Киселевой, Е.И. Смольяниновой за помощь и консультации в период освоения интерферометрических методов, за помощь в реализации схем решения поставленных задач в процессе выполнения данной работы.

Автор безмерно благодарен своим родителям Н.В. Дмитриеву и Т.Б. Дмитриевой за предоставленную возможность получить школьное образование с физико-математическим уклоном, поступить и получить высшее образование в МФТИ (ГУ), супруге К.С. Дмитриевой и всем друзьям за моральную поддержку и всестороннюю помощь при выполнении диссертационной работы.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, основные цели и задачи работы, дана ее общая характеристика, приведены защищаемые положения, изложена научная новизна, практическая значимость работы и личный вклад автора.

В Главе 1 приведен обзор теоретических основ радарной спутниковой интерферометрии. Описаны основные принципы, лежащие в основе технологии РСА-интерферометрии. Также приведен обзор наиболее действенных методов, разработанных для применения РСА-интерферометрии. В частности, описан метод устойчивых отражателей, а также две его модификации, разработанные A. Feretti и A. Hooper. Кроме того приведено описание сути метода малых базовых линий, разработанного P. Berardino и R. Lanari. Описано математическое обеспечение, применяемое для обработки данных РСА-

и

интерферометрии (ROI_PAC, DORIS, StaMPS). Приведено описание и технические характеристики спутников-носителей радаров с синтезированной апертурой (ERS-1,2, EN VI SAT, ALOS, TerraSAR-X, Cosmo-SkyMed-1-4, RAD ARS AT-1,2) и самих радиолокационных систем. Описана процедура выбора и заказа данных спутниковой интерферометрии. Кроме того, в главе 1 приведен подробный обзор мирового опыта применения описанных методов для мониторинга деформаций различного происхождения, таких как тектонические деформации, вулканизм, динамика грунтовых вод, ледниковые процессы, оползни, просадки над областями разработки полезных ископаемых, туннелями. Особое внимание уделено исследованию оползневых процессов.

На основе обзора применения методов РСА-интерферометрии сделаны следующие заключения, необходимые для постановки задачи оценки смещений оползневых склонов и в областях разработки полезных ископаемых.

1. Данные РСА-интерферометрии при благоприятных условиях позволяют получить надежные оценки амплитуды смещения земной поверхности в перечисленных областях и исследовать изменения скорости их движения во времени.

2. Имеется ряд факторов, затрудняющих применение радарной интерферометрии при мониторинге природных и техногенных процессов. Общие для интерферометрии проблемы включают ионосферные и атмосферные помехи, потерю корреляции в областях с густой растительностью, неоднозначность развертки фазы и оценку только одной компоненты смещений - проекции на направление на спутник (LOS). Специфические проблемы связанны с особенностями полей смещений в областях развития оползневых процессов и разработки месторождений полезных ископаемых. Это неравномерное смещение земной поверхности во времени, возможные большие горизонтальные градиенты поля смещений и др.

3. По мере разработки новой аппаратуры, с запуском новых спутников, с развитием новых методов обработки и анализа данных,

вышеперечисленные проблемы постепенно устраняются. Часть специфических проблем, связанных с мониторингом оползней, может быть ослаблена или устранена надлежащим выбором типа интерферометра (длины волны), времени (сезона) съемки, применением соответствующих методов обработки данных (например, различных модификаций методов устойчивых отражателей).

4. В тех случаях, когда не удается решить задачу путем анализа естественных отражающих площадок, проблема решается путем установки искусственных отражателей. Положительные примеры получены для ряда техногенных и природных объектов, включая оползни.

5. Выигрышным моментом при мониторинге областей разработки нефтяных и газовых месторождений является наличие развитой инфраструктуры (буровые вышки, жилые домики, трубопроводы, насосные станции и многое другое). Эти объекты часто являются прекрасными устойчивыми отражателями.

В целом, анализ результатов мониторинга оползневых склонов и областей разработки месторождений полезных ископаемых позволяет заключить, что хотя такой мониторинг проводится во многих странах и часто весьма успешно, получение надежных и достаточно детальных результатов зависит от целого ряда факторов. Результат зависит от того, насколько детален имеющийся набор спутниковых данных, насколько удачно построена стратегия и выбраны методы их обработки и насколько эффективно проведена совместная интерпретация наземных и спутниковых данных. В сложных условиях (малое количество радарных изображений, отсутствие или малое количество хорошо отражающих техногенных объектов, горный рельеф, наличие растительности и/или снежного покрова и т.д.) результаты, получаемые в процессе анализа РСА данных, особенно чувствительны к выбору методов и параметров обработки. Проведение серии расчетов с выбором параметров методом «проб и ошибок» затруднено тем, что приходится визуально сравнивать полученные поля

смещений или средних скоростей. Это не гарантирует выбор наилучшего решения.

Проведенный анализ показал, что решение поставленных задач актуально для развития РСА-интерферометрии и находится в русле исследований мирового сообщества ученых, работающих в этой области.

В Главе 2 изложен метод устранения остаточных шумов, которые содержатся в результатах обработки РСА-данных. Для устранения таких остаточных шумов, могут быть использованы временные серии для заведомо стабильных областей, которые принято называть «областью отсчета». Если такая область выделена в пределах исследуемой части радарного изображения, то временные ряды входящих в нее устойчивых отражателей вероятнее всего содержат неустраненные помехи. Следовательно, временные ряды из области отсчета можно использовать для корректировки временных рядов в тех областях, характер помех в которых можно считать идентичным.

Коррекция состоит в том, что из фазы каждого пикселя парной интерферограммы (фазового сдвига некоторого пикселя для двух заданных интерферометрических изображений) вычитается фаза, являющаяся средним значением фаз всех пикселей той же интерферограммы, попавших в выбранную область отсчета. При отсутствии априорной информации о стабильных участках в программном комплексе 81аМР8 в качестве области отсчета выбирается вся исследуемая область и из каждой интерферограммы вычитается среднее значение всех фазовых смещений в ней. Этот подход не всегда эффективен, поскольку поле смещений может быть устроено достаточно сложно и среднее смещение может существенно отклоняться от нуля. Это в особенности справедливо в тех случаях, когда исследуемая область относительно невелика. Более эффективным является выбор области отсчета пользователем, с учетом данных о стабильности отдельных областей в пределах исследуемой части РСА изображения. Так, например, скальные выходы коренных пород обычно стабильны на протяжении достаточно длительных интервалов времени. Также весьма вероятно, что стабильными будут

металлические крыши строений, элементы мостов и другие техногенные объекты.

В отличие от работ, в которых стабильная область задается априори, предложена методика определения устойчивых областей на основе анализа карт когерентности, которые строятся в процессе обработки радарных снимков, а также на основе анализа временных рядов, полученных для предположительно стабильных областей.

Интерферометрическая когерентность дифференциальной

интерферограммы вычисляется по формуле:

V- , ГСч-'»' лч

где Е(.) оператора усреднения по пространственному ансамблю, ги г2-комплексные сигналы, соответствующие одной и той же площадке на поверхности Земли на двух снимках, формирующих дифференциальную интерферограмму, * - оператор комплексного сопряжения.

Высокие значения когерентности обычно демонстрируют объекты техногенного характера (металлические крыши строений, элементы мостов, дорожной инфраструктуры и т.д.), а также протяженные объекты естественного происхождения, которые занимают на интерферограмме несколько пикселей (обнажения, скалы). Для подобных объектов велика вероятность оказаться стабильными во времени. Если данные объекты стабильны, то они могут быть использованы для выбора области отсчёта. Таким образом, стабильные во времени объекты для дальнейшего использования в качестве «области отсчета» следует искать среди тех, которые демонстрируют высокую когерентность.

Отбор областей - кандидатов на выбор в качестве области отсчета проводится следующим образом. В начале определяются точки, обладающие на данной серии снимков максимальной средней когерентностью и находящиеся в непосредственной близости к исследуемой области. Таким образом, формируются области - кандидаты на выбор в качестве области отсчета, состоящие из подмножеств устойчивых отражателей, находящихся внутри

областей с центрами в точках с высокой когерентностью. Размеры этой области естественно выбирать так, чтобы в область отсчета попадало минимально возможное для расчетов количество устойчивых отражателей.

После отбора высококогерентных областей производится пересчет значений скоростей для каждого устойчивого отражателя относительно среднего значения скоростей для отражателей из каждой области - кандидата. Для выбора области отсчета из набора, содержащего N кандидатов, был предложен следующий метод:

Пусть имеется К+1 радарных снимков, сделанных в моменты времени tk

(к = 1,2,..К + 1) и i9i(tfc) = - усредненная временная серия смещений

Lt

отражателей в области кандидате на область отсчета с индексом i относительно выбранного снимка - мастера с номером т. Область i содержит ¿г отражателей (1=1,...,10- Для каждой области кандидата на область отсчета i рассчитываются средние скорости смещения устойчивых отражателей, относительно каждой из выбранных областей J:

= £i=i i (tJ - Vj (tkj) (tk - tmyn=i(tk - tmy (2)

Формула (2) по сути, является реализацией расчета тренда методом наименьших квадратов. Иными словами, выполняются расчеты, в которых номера «исследуемой» - и «опорной» областей пробегали все возможные значения от 1 до N. Далее проводится анализ временных серии смещений в направлении на спутник (LOS) для устойчивых отражателей из этих областей.

Если временные серии смещений устойчивых отражателей какой-либо области кандидата на выбор в качестве области отсчета демонстрируют значимый тренд и/или большую дисперсию при всех вариантах выбора опорной области, то данная исследуемая область не подходит для использования в качестве области отсчета в дальнейшем исследовании. Если же существуют две (или более) области, которые демонстрируют близкие к нулю средние скорости взаимных относительных смещений и при этом дисперсии временных серий малы, то велика вероятность, что эти области в

действительности стабильны и любая из них может быть использована в качестве области отсчета в основном исследовании.

Данная методика была применена при проведении мониторинга состояния оползневых склонов на территории горного массива, расположенного в районе северных порталов тоннельного комплекса №3 на совмещенной автомобильной и железнодорожной трассах Адлер - Красная Поляна.

С применением методики выбора области отсчета выполнен анализ девяти снимков для трека 85А спутника ENVISAT, сделанных в период с 052006 по 02-2009. По картам когерентности для парных интерферограмм были выделены основные участки с высокой когерентностью, которые прослеживаются на всех парных интерферограммах. Была произведена примерная идентификация этих площадок с использованием карт Google Maps. Среди полученных кандидатов были отобраны те, которые предположительно являлись стабильными за период всей временной серии спутниковых снимков (т.е. их вертикальные и горизонтальные координаты можно считать постоянными). Таких участков оказалось четыре - площадки в районе п. Монастырь (области 1 и 2 на рис.1), опоры моста через реку Кепша (область 3) и устойчивые отражатели в поселке Чвежипсе (4). Для всех групп отражателей на этих участках отмечается общая тенденция удаления от спутника при незначительных величинах скачков деформаций в отдельные моменты времени.

Относительно друг друга наиболее близкими к нулю средними скоростями деформации и минимальными значениями дисперсии обладают две области - скальные выходы недалеко от п. Монастырь и опоры моста через р. Кепша.

Был произведен пересчет деформаций и средних скоростей в области мониторинга относительно выбранных стабильных участков. На рисунке 1 представлены результаты расчета изменения положения устойчивых отражателей во времени (временных серий) для области мониторинга при выборе в качестве области отсчета участка вблизи моста через р. Кепша.

VT

L'.'j**

Рисунок I - Средние скорости смешении PS в направлении на спутник, рассчитанные относительно среднего тначении фаты для устойчивы» отражателей, расположенных на участке вб.ппн моста черст р. K'enuia. I - 4 - Временные серии .тля смешений в направлении на LOS для соответствующих PS ит четырех выбранных участков.

Рисунок 2 иллюстрирует важность правильного выбора области отсчета: показаны средние скоростш смещений и временные ряды положений отражателей для случая, когда в качестве области отсчета используется весь исследуемый участок, т.е. вычитается среднее по всей области расчета. Видно, что результаты расчета скоростей заметно разнятся, а дисперсия возросла. Особенно ухудшились результаты в областях 2 и 3.

ii

161

1 г1 * <Г' «

Рисунок 2 - Средние скорости смещения Р5 и направлении на спутник, рассчитанные относительно среднего знамения фаты для устойчивых отражателей по всей области вычислений. I - 4 - Временные серии для смешений в направлении на 1.08 для соответствующих Р» ит четырех выбранных участков.

В главе 3 предложен метод восстановления полного вектора смешений оползневого склона. Первая часть главы содержит постановку задачи определения полного вектора смешений.

Суть проблемы в том, что данные спутниковой РСА интерферометрии позволяют определить смещения в направлении на спутник (это направление принято называть также направлением видения или LOS от английского Line Of Sight). Определение вектора смешений (в форме двух углов и модуля вектора или трех составлявших: вертикально вверх, на север и на восток) по данным РСА интерферометрии без дополнительных предположений или дополнительных гипотез принципиально невозможно.

Если в обработке удается использовать данные с двух треков, нисходящего и восходящего, то в результате будут получены проекции вектора смещений на два различных направления, но для определения полного вектора надо иметь три компоненты. Поскольку восходящие и нисходящие орбиты всех

интерферометрических спутников имеют близкие азимуты, существенно отличающегося третьего направления нет.

Дополнительные данные для определения всех трех компонент вектора смещения можно получить из данных геодезических наблюдений. Однако, возникает ряд проблем при их использовании. Во-первых, не всегда для исследуемой области имеются геодезические данные для тех же периодов времени, что и данные РСА - интерферометрии. Во-вторых, имеющиеся данные зачастую достаточно сложно согласовать. РСА-интерферометрия позволяет определить смещения площадок, координаты которых, обычно не совпадают с координатами реперов или пунктов наблюдения спутниковой геодезии. Поэтому возникает необходимость разработки методов определения всех компонент вектора смещения при отсутствии дополнительных данных наземной геодезии.

При исследовании оползневых процессов или движений ледников допустимы предположения о том, что поверхность коренных пород, по которой смещается оползневая пачка пород, конформна дневной поверхности. Поэтому можно предположить, что смещения устойчиво отражающих площадок происходят вдоль рельефа. Это условие задает третье недостающее условие для восстановления полного вектора смещений по данным с двух треков.

Это предположение было использовано для восстановления полного вектора смещений устойчиво отражающих площадок при проведении мониторинга состояния оползневых систем на территории горного массива, расположенного в районе северных порталов тоннельного комплекса №3 на совмещенной (автомобильной и железнодорожной) трассе Адлер - Красная поляна. Использовались снимки по двум трекам спутника ЕЫУ^АТ: восходящему 85 (08-2004 - 02-2009) и нисходящему 35 (10-2003 - 07-2010).

Поскольку было предположено, что поверхность коренных пород, по которой смещается оползневая пачка пород, конформна дневной поверхности, т.е. смещения устойчиво отражающих площадок происходят вдоль рельефа, смещение по вертикали связано со смещениями на север и на восток формулой,

которая и задает третье недостающее условие для восстановления полного вектора смещений по данным с двух треков. Используя результаты расчета смещений в направлении LOS с двух треков, мы имеем для трех компонент смещения каждого найденного устойчивого отражателя систему уравнений: duos - • lb" = d„p cos 9, - sin 0([í/„ cos ß, + d, sin Д ], i = 1,2 dup =dH/dX*dl + dH/d<t>*da (3)

где: dLOS - смещение в направлении на спутник, Лв - длина электромагнитной волны, излучаемой PJIC, Д<р - фазовый сдвиг на дифференциальной интерферограмме, в - угол видения (угол между вертикалью вниз от положения спутника и LOS), ß= ah -Зл/2 - азимут направления видения, ah - азимут орбиты спутника, который отсчитывается от направления на север по часовой стрелке, (dup,dn,de) - компоненты вектора смещений в направлениях соответственно вверх, на север и на восток, X и ср -долгота и широта соответственно, Н- превышение топографии над геоидом по цифровой модели рельефа (ЦМР).

Для расчета коэффициентов при смещениях на север и восток в третьем уравнении системы (3) рельеф аппроксимировался в скользящем окне 0.5x0.5 км плоскостью. После раздельной обработки данных по нисходящему и восходящему трекам, были выбраны близко расположенные устойчиво отражающие площадки, идентифицированные с обоих треков. Их оказалось всего пять. На рисунке 3 представлен результат решения приведенной выше системы уравнений относительно компонент смещения.

43.62-

43.6-

43.58

Рисунок 3 - Восстановление направления смешения угтойчнп« отражающих ■■лошадок в предела» контура мониторинга в предположении, что устойчипые отражатели смешаются вдоль рельефа. Черные стрелки - направлении против градиента рельефа, сглаженного н окне 0.5x0.5 км, красные стрелки - направление смещения устойчиво отражающих площадок, найденное по уравнениям (3). Цифры - средняя скорость смешения в мм/год оереднениая та период 2004 - 2010 гг. Голубые стрелки - направление полета и направление видения для восходящего (85) и нисходящего (35) треков спу-гинка ЕМУ^АТ.

В результате решения системы (3) средняя скорость смешений оценивается в пределах от 18 до 25 мм/год, при этом азимуты смешений устойчиво отражающих площадок в пределах оползневого склона (синий прямоугольник) близки к направлению против градиента рельефа на этих площадках. Этот результат соответствует модели смещения оползневых масс под действием силы тяжести.

Поскольку результаты по совпадающим устойчиво отражающим площадкам двух треков оказались вполне приемлемыми и направление их движения оказалось достаточно близким к направлению против градиента рельефа, для интерпретации результатов для отдельных треков в качестве

40.04 40.06 40.08

дополнительного условия было принято условие, что проекция вектора средней скорости смешений на горизонтальную плоскость направлен» против вектора градиента рельефа. В результате для каждого устойчивого отражателя, найденного посредством обработки данных с одного трека имеем систему уравнений:

d^ т дН IdX'd, + дН /dfd. (4)

dia = /4jr = d^cosO -sinÖ(<i.cosß + d,smß]

После подстановки трех первых уравнений в уравнение для dL0S, находим коэффициент к, а затем и все три компоненты полного вектора средней скорости смешений.

На рисунках 4 и 5 представлены средние скорости смешений по данным спутника ENVISAT. В целом определенные средние скорости смешений очень близки к оценкам, полученным ранее по данным того же спутиика (18-25 мм/год).

Рисунок 4 - Средние скорости смешении (к-расиыг стрелки, ратер пропорционален средней скорости смешения) в пределах исследуемою участка опо.пнсного склона по лаиным восходящею трека 85 спутника Е>Л'18АТ. полученные в предположеннн, что смешение происходит пни) по склону против направления вектора градиента рельефа.

40.04 40.06 40.08

ЕпуМИ 35

Рисунок 5 - Средние скорое!и смешений (краениг стрелки, ричср пропорционален средней скорости смешения) и пределах исследуемого участка ополнмного склона по л а иным нисхоляшс! о трека 35 спутника К\\'1.Ч \ Г.

В итоге было установлено, что предложенный метод определения всех компонент вектора смещений земной поверхности для оползневых участков или ледников, в предположении, что поверхность, по которой смешаются эти объекты, конформна земной поверхности, хорошо работает в исследуемой области.

Для оползневого участка склона получено, что смешения происходят в направлении близкому к направлению против градиента рельефа, т.е. примерно на север или северо-восток. Скорость смещений осредненная за последние 4-6 лет для различных отражающих площадок леж^т в интервале 2-5 см/год. Для отдельных площадок в пределах участка, для которого проводился мониторинг, средняя скорость возрастает до 6-7 см'го д.

Глава 4 посвящена методике восстановления полного вектора смешений участков земной поверхности и инфраструктуры в областях разработки нефти и газа по данным радарной спутниковой интерферометрии. В первой части описываются ограничения и проблемы, возникающие перед исследователями

при проведении мониторинга областей разработки месторождений нефти и газа.

В частности, анализируются трудности построения согласованного поля смещений земной поверхности при попытках совместного использования для определения поля смещений данных РСА-интерферометрии, ГНСС и данных повторных нивелировок. Наиболее эффективный способ решения проблемы увязки разных типов данных для восстановления полного вектора смещения состоит в привлечении информации о природе наблюдаемых смещений. Для областей разработки нефтяных и газовых месторождений естественно предположить, что смещения земной поверхности происходят в результате отбора углеводородов или закачки вытесняющей жидкости, т.е. в результате изменений давления в некотором пористом пространстве, которые сопровождаются его расширением или сжатием. Предлагаемый метод построения аппроксимации поля смещений в направлении на спутник и расчета трех компонент вектора смещений, основан на этом предположении.

Во второй части главы 4 рассматривается задача о смещении земной поверхности в результате изменения давления в некотором объеме под ней в приближении однородного упругого или вязкоупругого полупространства.

Для одиночного центра растяжения с радиальной компонентой упругой

деформации = расположенного в точке компоненты

поля смещений имеют вид:

71 К

71 К

л 71 Я3' (5)

где и- коэффициент Пуассона, 11 =<-х<~х^ +(У>~У/) +г/ , 5(.) - функция Дирака. Отметим, что формулы для вязкоупругой среды совершенно аналогичны, с точностью до коэффициентов, которые для вязкоупругой среды зависят от времени.

Определение вектора смещения на поверхности полупространства в результате изменения давления в некотором объеме V (состоящем, возможно, из отдельных подобластей) сводится к интегрированию по этому объему функций (5). При этом, поскольку величина изменения каждого элементарного объема Б в общем случае меняется в пределах области V, она входит в эти уравнения как функция пространственных координат. Тогда, например, для смещений в направлении на спутник получаем:

* I ((х-4?+(у-?,? + (:-С? У" (б)

где г|, С, — переменные интегрирования по объему V. Функция (б) является линейной комбинацией потенциальных функций, следовательно, удовлетворяет уравнению Лапласа.

Далее в главе 4 показывается, что, в зависимости от того, какие данные заданы на поверхности, задача определения потенциальной функции, с помощью которой можно восстановить компоненты векторов истинных смещений, является внешней задачей Дирихле, или Неймана или смешанной краевой задачей, которые для гармонических функций имеют единственное решение. Это позволяет решить задачу без знания истинного строения месторождения и процесса его эксплуатации.

В частности, любое потенциальное поле, заданное на некоторой поверхности в узлах пространственной сетки, можно аппроксимировать с помощью систем элементарных источников различного типа, расположенных на некоторой нижележащей поверхности или на нескольких поверхностях. Выбор типа источников и их расположение становятся существенными лишь в случаях сильно неравномерных сетей наблюдений.

В задаче о смещении поверхности в результате изменения пластового давления для аппроксимации поля смещений на поверхности также можно использовать достаточно простые конструкции, например сферические объемы,

расположенные на глубине верхнего разрабатываемого слоя или на средней глубине разрабатываемой многопластовой залежи. Если глубина горизонта меняется незначительно по сравнению с ее средней величиной, то источники можно разместить на одном уровне. При этом по аналогии с потенциальными полями можно показать, что любое поле смещений, описываемое уравнениями (6), сколь угодно точно аппроксимируется распределением малых объемов, расположенных на любом уровне, в том числе на горизонтальной плоскости.

Для решения задачи в качестве аппроксимирующих источников выбираются малые сферические объемы, для которых смещения задаются формулами (5). Источники были расположены под точками наблюдений на глубине, равной среднему расстоянию между точками.

Далее определяются неизвестные величины из условия минимума среднеквадратической невязки:

которое свелось к системе линейных уравнений относительно средней

скорости изменения элементарных объемов S. Здесь а&*засмв и öfcv -среднеквадратические погрешности оценки скоростей смещений по данным РСА-интерферометрии, спутниковой геодезии и- повторных нивелировок, используемые для учета их различной точности. Индексы SAR, GNSS и calc обозначают величины, определенные по данным РСА-интерферометрии, спутниковой геодезии и соответствующие величины, вычисленные по аппроксимационной конструкции. Для сопоставления с данными повторных

нивелировок скорости вертикальных смещений р следует рассчитывать в точках расположения нивелировочных реперов и вычитать из них скорости смещений, рассчитанные в точке расположения того репера, который на нивелировочном профиле с индексом р принимался за неподвижный.

+

(7)

После нахождения средней скорости изменения элементарных объемов Б могут быть вычислены вертикальные и горизонтальные компоненты вектора скоростей смещений в точках расположения устойчивых отражателей или на регулярной сетке, что при большом количестве отражателей позволяет детально исследовать поле смещений в области разрабатываемого месторождения. Кроме того, можно вычислять и компоненты тензора напряжений и деформаций, направление осей максимального растяжения и сжатия, наклоны и другие величины, используемые для оценки геодинамической опасности.

В конце главы 4 описаны результаты применения предложенной методики при исследовании Ромашкинского месторождения, расположенного на территории Республики Татарстан в центральной части ВосточноЕвропейской платформы. Для оценки смещений были использованы 8 снимков спутника Егмза!, сделанные с нисходящего трека 490 в период с апреля 2004 по октябрь 2005. К сожалению, мы не располагаем каталогом данных повторных геодезических измерений за этот период времени, в связи с чем далее ограничились аппроксимацией только смещений по РСА-интерферометрии. Сопоставление с данными повторных нивелировок было проведено на качественном уровне с использованием опубликованных графиков вертикальных смещений.

Аппроксимация осуществлялась малыми сферическими объемами по формулам (5). При этом объемы под точками, где были найдены устойчиво отражающие площадки, располагались на двух уровнях - 0.4 км и 0.1 км. Как это было показано в работах В.М. Гордина и В.О. Михайлова (Гордин В.М., Михайлов Б.О., Михайлов В.О. Физические аспекты аппроксимации и фильтрации потенциальных полей // Изв. АН ССР. Сер. Физика Земли. 1980. № 1. С.78-93), при надлежащем выборе автокорреляционных функций полезного сигнала и помехи подбор на двух уровнях аналогичен оптимальной фильтрации по Колмогорову-Винеру. Отношение амплитуд изменения объемов на двух уровнях аналогично отношению среднеквадратических амплитуд полезного

сигнала и помехи, а глубина до источников связана с их радиусами автокорреляции. Отношение изменения объемов, расположенных на верхнем и нижнем уровнях под одним и тем же отражателем, было задано постоянным -1:100. При этом расчет вертикальных смешений велся только от объемов нижнего уровня, имитирующего полезный сигнал. Такая конструкция позволяет отфильтровать высокочастотную составляющую, имеющую небольшую по сравнению с полезным сигналом амплитуду1/10.

Средние скорости смешений устойчиво отражающих площадок за период, покрываемый съемкой, в области размером 0.1°х0.1° с центром в г. Альметьевск на Ромашкннском месторождении показаны на рисунке 6, А. Расчеты выполнены с применением программного пакета StaMPS.

На рисунке 7 приведены карты скоростей смешений, построенные на основе применения разработанного метода. Скорости смешений на восток достигают 10 мм/год, скорости смещений на север больше - до 14 мм/год.

им к

¿ У

ыт V

■ i • г*

- *

.. - > Я & '

мм • •>

„

мм

• -12 063 Ь л

• -5 в -г

• 2 в 5

• » в и я

Utos

Uz

• .<« lesea в 4

• -в в г •• ■г в г

• 2 Ь i -

• 5 lo 20 М

.ч '• •-' - « «

i ■ г

.i, ■щ f &

: 'U-.

«•> .,'. л -и

f • : .. *v' •■ -i • V' - : ■>v A • . V á-Л

А В

Рисунок 6. Срелиие скорости смсшеинй темной поверхности и районе г. Альметьевск на Ромашкннском месторождении в период с апреля 2004 г. по октябрь 2005 г.: А -средние скорости смсшеинй н направлении на спутник по данным РСА-ингерферометрни; В - вертикальные скорости смешений, рассчитанные по ним. Альметьевск расположен в центре снимка в области пересечения географических координатных линий.

Рис. 7. Карты скоростей смешений, построенные путем интерполяции скоростей смешений отдельных устойчиво отражающих площадок, покатанных на рнс. 6. Гц» -скорости смешении к спутнику, I?! - соответствующие нм скорости смешения по вертикали. 1Г, - к востоку, 1Г. - к северу

Отметим также, что оценки смещений содержат погрешности, в основном, высокочастотные шумы. С применением аппроксимирующих конструкций можно выполнить фильтрацию высокочастотных составляющих и найти длиннопернодную компоненту смешений земной поверхности и^,, (рис. 8). В случае глубоких залежей эта компонента, свободная от связанных с неоднородным строением верхней части разреза локальных эффектов, может использоваться для исследовачия изменения давления на уровне залежи.

Сравнение с данными повторных нивелировок показало хорошее согласование, несмотря на то, что периоды измерений были существенно различны. Данные повторной геодезии были любезно предоставлены Ю.О. Кузьминым и Л И. Никоновыи.

Рис. Я. Региональная компонента скорости смешений, рассчитанная по смешениям устойчиво отражающих площадок (а) н векторы смешений в гори дентальной плоскости (б). Максимальна* длина стрелки соответствует скорости горизонтальною смешения 12.4 мм/год. Отметьте мульды сдвижения на севере н юге карты (б) и области смещений на ют в центре карты (б), на границе областей поднятия и проседания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложен метод выбора «области отсчёта» для устранения помех в условиях отсутствия априорных знаний о наличии и расположении стабильных участков земной поверхности. Применение данного метода к РСА-данным по участку вблизи посёлка Кепша позволило выделить стабильные области и использовать их в качестве «области отсчета», что улучшило точность результатов обработки данных, позволив получить временные серии смещений с меньшей дисперсией и, следовательно, более достоверными значениями средних скоростей смещений устойчиво отражающих площадок.

Был произведен пересчет смещений и средних скоростей в области мониторинга относительно выбранных стабильных участков. Установлено различие временных серий устойчивых отражателей исследуемой области, построенных относительно выбранной области отсчета (опоры моста через р. Кепша) и относительно всей области исследования. Получено существенное изменение в величине скоростей. При этом налицо уменьшение дисперсии временных серий, что позволяет сделать вывод о действенности метода.

Предложенный метод определения всех компонент вектора смещений земной поверхности для оползневых участков или ледников, по данным с двух спутниковых треков и в предположении, что поверхность, по которой смещаются эти объекты, конформна земной поверхности, хорошо работает в исследуемой области. Для оползневого участка склона получено, что смещения в районе исследования происходят в направлении близком к направлению против градиента рельефа, т.е. примерно на север, северо-восток. Скорость смещений осредненная за последние 4-6 лет для различных отражающих площадок лежит в интервале 2-5 см/год. Для отдельных площадок в пределах участка, для которого проводился мониторинг, средняя скорость возрастает до 6-7 см/год.

Предложен метод расчета трех компонент вектора смещений по данным РСА интерферометрии о смещениях на спутник, применимый для областей

разработки нефтяных и газовых месторождений. Метод основан на уравнениях, задающих смещения на поверхности упругого или вязкоупругого полупространства в результате изменения давления в областях заданной конфигурации. Метод численно реализован с использованием уравнений для малых сферических объемов, которые позволяют построить эффективный метод численного решения.

Предложенный метод позволяет строить поля смещений, согласованные с любыми данными повторных измерений (ГНСС, повторные нивелировки, РСА интерферометрия). Работа метода продемонстрирована на примере анализа смещений в районе г. Альметьевска на Ромашкинском месторождении. Показано, что поле вертикальных смещений существенно отличается от поля смещений в проекции на направление на спутник, как по морфологии, так и по абсолютной величине. Скорости смещений в горизонтальном направлении достигают 12 мм/год. Полученные результаты показывают, что предположение о том, что скорости смещений на спутник равны смещениям по вертикали, также как и предположение о том, что смещениями на север можно пренебречь, могут приводить к существенным ошибкам.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, из перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук

1. Дмитриев П.Н., В.И. Голубев, Ю.С. Исаев, Е.А. Киселева, В.О. Михайлов, Е.И. Смольянинова. Некоторые проблемы обработки и интерпретации данных спутниковой радарной интерферометрии на примере мониторинга оползневых процессов. // «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». 2012. т.9, №2, с. 130-142.

2. Михайлов В.О., Е.А. Киселева, П.Н. Дмитриев, В.И. Голубев, Е. И. Смольянинова, Е.П. Тимошкина. Оценка полного вектора смещений земной поверхности и техногенных объектов по данным радарной спутниковой интерферометрии для областей разработки месторождений нефти и газа. // «Геофизические исследования» -2012 - №3, с. 5-17.

3. В.О. Михайлов, Е.А. Киселева, Е.И. Смольянинова, П.Н. Дмитриев, Ю.А. Голубева, Ю.С. Исаев, К.А. Дорохин, Е.П. Тимошкина, С.А. Хайретдинов, В.И. Голубев. Мониторинг оползневых процессов на участке Северокавказской железной дороги с использованием спутниковой радарной интерферометрии в различных диапазонах длин волн и уголкового отражателя. //Геофизические исследования, №1,2014 г, с.5-24.

Заявка на изобретение

Способ определения трех компонент вектора смещений земной поверхности при разработке нефтяных и газовых месторождений. Авторы: Михайлов В.О., Голубев В.И., Дмитриев П.А., Киселева Е.А., Смольянинова Е.И., Тимошкина Е.П., Хайретдинов С.А.

Труды конференций:

V. Mikhailov, E. Kisileva, E. Smolyaninova, V. Golubev, P. Dmitriev, Yu. Isaev, K. Dorokhin, A. Hooper, S. Esfahany, R. Hanssen, S. Khairetdinov, 2013. PS-InSAR monitoring of landslides in the Great Caucasus, Russia, using ENVISAT, ALOS and TerraSAR-X SAR images. // Proceedings of ESA Living Planet Symposium, 9 -13 September, 2013, Edinburgh, UK. 9 p.

Тезисы конференций

1. Mikhailov V., Kiseleva E., Smolyaninova E., Golubev V., Dmitriev P., Isaev Y„ 2011. // Monitoring of the landslide in the vicinity of the railway -highway road to Sochi Olympic 2014 site "Krasnaya Polyana" - Fringe-2011, Frascatti, Italy.

2. V. Mikhailov, Yu. Kuzmin, V. Golubev, P. Dmitriev, E. Kiseleva, E. Smolyaninova R. Gayatullin, A. Baratov, P. Koshurkin, M. Rahmatullin Joint analysis of PSInSAR and repeated leveling data for monitoring ground motions in the Romashkino oil exploration area (Russia). "Advances in Geological Remote Sensing" // GRSG Annual General Meeting 2011 Including the 2011 Oil and Gas industry workshop 7-9 December 2011, ESA ESRIN, Frascati, Italy. 2011.

3. Михайлов B.O., Голубев В.И. , Дмитриев П.Н. , Киселева Е.И. , Смольянинова Е.И. , ТимошкинаЕ .П. Применение SAR-интерферометрии при мониторинге полей смещений природных и техногенных объектов. // Девятая открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» - Москва, ИКИ РАН, 14-18 ноября 2011 г

4. В.О. Михайлов, Е.А. Киселева, П.Н. Дмитриев, В.И. Голубев, Е. И. Смольянинова, Е.П. Тимошкина. 2012.Мониторинг областей разработки месторождений нефти и газа и оценка полного вектора смещений земной поверхности и техногенных объектов с применением радарной спутниковой интерферометрии. // Десятая открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 12-16 ноября 2012 г

5. Михайлов В.О., A.C. Василейский, А.И. Карелов, Е.А. Киселева, П.Н. Дмитриев, В.И. Голубев, Е. И. Смольянинова, Е.П. Тимошкина, С.А. Хайретдинов. Применение радарной спутниковой интерферометрии для мониторинга смещений природных объектов: достижения и перспективы. // Одиннадцатая открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 11-15 ноября 2013 г.

Подписано в печать: 16.12.13

Объем: 1,2 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 182 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинский проспект, д.2 (495) 978-66-63, www.reglet.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Дмитриев, Павел Николаевич, Москва

Институт физики Земли имени О. Ю. Шмидта РАН

На правах рукописи

04201455239

Дмитриев Павел Николаевич

НОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ РАДАРНОЙ СПУТНИКОВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

25.00.10 — Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор МИХАЙЛОВ В. О.

Москва —2013

Оглавление

стр.

Введение 5 1 Теоретические основы радарной спутниковой

интерферометрии 14

1.1 Основные принципы РСА-интерферометрии 14

1.2 Метод устойчивых отражателей 19

1.2.1 Метод устойчивых отражателей, разработанный A. Feretti 21

1.2.2 Метод устойчивых отражателей, разработанный А.Ноорег 27

1.2.3 Метод малых базовых линий 30

1.3 Математическое обеспечение, применяемое для обработки

данных спутниковой интерферометрии 32

1.4 Выбор интерферометрических данных и стратегии их обработки. Обзор спутников с бортовым радиолокатором с синтезированной апертурой 33

1.4.1 Спутники ERS-l,ERS-2 33

1.4.2 Спутник ENVISAT 34

1.4.3 Спутник TerraSAR-X 38

1.4.4 Спутник RADARS AT-1 39

1.4.5 Спутник RADARSАТ-2 41

1.4.6 Спутник ALOS 42

1.4.7 Спутники Cosmo-SkyMed-1,2,3,4 43

1.4.8 Миссия «Шатл» 44

1.4.9 Выбор и заказ данных спутниковой интерферометрии 45

1.5 Применение данных РСА интерферометрии 45

1.5.1 Применение данных РСА интерферометрии для мониторинга оползневых процессов 47

1.5.2 Применение данных РСА интерферометрии для мониторинга областей разработки полезных ископаемых 51

2 Совершенствование методики обработки данных РСА интерферометрии. Применение усовершенствованной методики для анализа малых смещений оползневого

склона в районе пос. Кепша 61

2.1 Методика выбора «области отсчета» 61

2.1.1 Понятие и физический смысл «области отсчета». Определение поля смещений в области мониторинга относительно выбранной стабильной «области отсчета». 61

2.1.2 Выделение высококогерентных областей. 65

2.1.3 Анализ стабильности высококогерентных областей. 67

2.2 Применение методики выбора «области отсчета» для анализа малых смещений оползневого склона в районе

пос. Кепша. 68

2.2.1 Выделение высококогерентных областей 70

2.2.2 Анализ стабильности выделенных областей 71

2.2.3 Определение деформаций в области мониторинга относительно выбранных стабильных участков. 74

2.3 Выводы. 78

3 Совершенствование методики интерпретации данных РСА интерферометрии. Метод восстановления полного вектора смещений оползневого склона и его применение для мониторинга оползня в районе пос. Кепша. 79

3.1 Метод восстановления полного вектора смещения 79

3.1.1 Постановка задачи определения полного вектора смещения. 79

3.1.2 Использование данных ГНСС и данных наземной геодезии для восстановления полного вектора смещения. Восстановление полного вектора смещения, используя результаты обработки РСА-данных и цифровую модель 80

рельефа местности

3.2 Применение методики при исследовании оползневого

склона в районе пос. Кепша 83

3.2.1 Исследуемая область и исходные данные. 83

3.2.2 Гипотезы о характере и направлениях смещений и ее проверка. 85

3.2.3 Оценка средних скоростей смещения в направлении градиента рельефа. 87

3.3 Выводы 91 4 Восстановление полного вектора смещений участков

земной поверхности и инфраструктуры областей разработки нефти и газа по данным радарной спутниковой интерферометрии. 92

4.1 Постановка задачи 92

4.2 Определение вектора смещений земной поверхности по его проекции на направление на спутник в областях разработки нефтяных и газовых месторождений. 96

4.3 Метод решения задачи. 101

4.4 Применение метода при изучении деформаций земной поверхности на территории Ромашкинского нефтяного месторождения. 103

4.5 Выводы. 110 Заключение 111 Список использованных источников 113

Введение Актуальность темы исследования

В последние годы все более широкое распространение получают методы оценки малых смещений земной поверхности, основанные на применении радаров с синтезированной апертурой (спутниковая РСА интерферометрия или 1п8АЯ). РСА интерферометрия имеет ряд преимуществ перед наземными методами. Один радарный снимок покрывает площадь до 100 км и более. Ячейка разрешения составляет 20 м * 20 м и менее. Интервал повторной съемки составляет от 35 дней до 6 дней для различных спутников. Точность оценки смещений составляет первые сантиметры, точность оценки средних скоростей смещений по сериям снимков - первые мм/год. Огромным преимуществом радарной интерферометрии является возможность получать и анализировать архивные снимки, начиная с 1992 г. Это позволяет в частности опробовать новые методы обработки и интерпретации на известных событиях.

РСА интерферометрия применяется при изучении смещений природных и техногенных объектов. В числе природных объектов отметим изучение косейсмических и постсейсмических процессов, мониторинг оползневых процессов, динамики ледников, деформаций поверхности вулканов. Очень широк перечень техногенных объектов мониторинга. Это области разработки нефтяных и газовых месторождений, просадки над шахтами, тоннелями, мониторинг стабильности мостов и эстакад и многие другое. Значительные просадки могут приводить к деформациям зданий и сооружений, поэтому их мониторинг крайне важен для обеспечения безопасности жизнедеятельности и снижения рисков повреждения и утраты объектов инфраструктуры.

До настоящего времени методы спутниковой интерферометрии не получили в нашей стране должного распространения, несмотря на то, что областью их применения, в частности, является такая важная для России отрасль народного хозяйства, как разработки нефтяных и газовых месторождений.

Принимая во внимание сложность процесса обработки РСА данных, их зависимость от климатических, географических и других особенностей исследуемой территории, кране важной представляется задача разработки новых методов обработки и интерпретации РСА данных, позволяющих повысить точность оценки полей смещений техногенных и природных объектов.

Цель работы

Целью настоящей работы является создание и применение новых методов обработки и интерпретации данных дифференциальной спутниковой РСА-интерферометрии для оценки деформаций земной поверхности, в частности при мониторинге оползневых склонов и областей разработки полезных ископаемых.

Основные задачи

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

1. Анализ теоретических основ и опыта применения спутниковой радиолокации с синтезированной апертурой (РСА) и метода дифференциальной РСА-интерферометрии. Анализ преимуществ, недостатков и ограничений метода. Исследование метода как инструмента для оценки составляющих смещений земной поверхности. Анализ алгоритмов обработки радиолокационных данных по методу РСА-интерферометрии и методов интерпретации результатов обработки.

2. Совершенствование методики обработки данных дифференциальной РСА интерферометрии для устранения помех в условиях отсутствия априорных знаний о наличии и расположении стабильных участков земной поверхности. Практическое применение усовершенствованной методики для анализа смещений оползневого склона в районе пос. Кепша на новой трассе Адлер - Красная поляна. Демонстрация эффективности разработанной методики посредством сравнения результатов ее применения с результатами

мониторинга данного оползневого склона, выполненных стандартным способом обработки.

3. Совершенствование методики интерпретации результатов обработки данных дифференциальной РСА интерферометрии посредством разработки нового метода восстановления полного вектора смещений, для оползневых склонов. Практическое применение разработанного метода для анализа малых смещений оползневого склона в районе пос. Кепша.

4. Разработка нового метода аппроксимации поля смещений в направлении на спутник и расчета трех компонент вектора смещений в областях эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. Применение разработанного метода для аппроксимации поля смещений в районе г. Альметьевска (Ромашкинское нефтяное месторождение, Республика Татарстан)

Научная новизна исследования

1. Предложен новый метод выбора «области отсчета» при обработке данных дифференциальной РСА интерферометрии, который позволяет эффективно подавлять помехи в условиях отсутствия априорных знаний о наличии и расположении стабильных участков земной поверхности.

2. Разработан метод восстановления полного вектора смещений, использующий результаты обработки РСА-данных с двух спутниковых треков и цифровую модель рельефа местности, применимый для оценки смещений оползневых участков или ледников, в предположении, что поверхность, по которой смещаются эти объекты, конформна земной поверхности.

3. Разработан метод расчета трех компонент вектора смещений по данным РСА интерферометрии, применимый для областей разработки нефтяных и газовых месторождений и основанный, на уравнениях, задающих смещения на поверхности упругого или вязкоупругого полупространства в результате изменения давления в областях заданной конфигурации. Метод

численно реализован с использованием уравнений для малых сферических объемов, которые позволяют построить эффективный метод численного решения. Величины изменения давления определяются путем минимизации функционала, составленного из невязок между расчетными и измеренными (наблюденными) данными. Метод позволяет включать в рассмотрение любые геодезические наземные и спутниковые данные, которые имеются для исследуемого объекта: точечные данные о смещениях устойчиво отражающих площадок во времени, парные интерферограммы, точечные данные спутниковой геодезии и профильные данные наземной геодезии. Важно, что метод работает при любом объеме данных, в том числе решение можно получить только по данным РСА-интерферометрии, когда наземных геодезических данных нет.

Практическая значимость исследования

1. Разработанный новый метод выбора «области отсчета» при обработке данных спутниковой РСА интерферометрии позволяет эффективно подавлять помехи.

2. Разработан метод восстановления полного вектора смещений устойчиво отражающих площадок, использующий результаты обработки РСА-данных с двух треков и цифровую модель рельефа местности. Метод предназначен для оценки полей смещений оползневых склонов или ледников и основан на предположении, что поверхность, по которой смещаются эти объекты, конформна земной поверхности.

3. Разработан метод расчета трех компонент вектора смещений по данным РСА интерферометрии и данным геодезии, применимый для областей разработки нефтяных и газовых месторождений. Метод основан на предположении, что смещения земной поверхности происходят в результате изменения давления в процессе отбора углеводородов и закачки вытесняющего флюида. Работа методики продемонстрирована на примере

анализа смещений в районе г. Альметьевска (Ромашкинское нефтяное месторождение, Республика Татарстан).

4. Разработанные методы выбора «области отсчета» и восстановления полного вектора смещений, использующие результаты обработки РСА-данных и цифровую модель рельефа местности, позволили провести мониторинг оползневых склонов в районе пос. Кепша у новой совмещенной автомобильной и железнодорожной трассы Адлер - Красная поляна в сложных условиях изрезанного рельефа и густой растительности Кавказа.

Положение выносимые на защиту

1. Метод выбора «области отсчета», позволяющий при обработке данных дифференциальной РСА интерферометрии эффективно устранять помехи в условиях отсутствия априорных знаний о наличии и расположении стабильных участков земной поверхности.

2. Метод восстановления полного вектора смещений, использующий результаты обработки РСА-данных и цифровую модель рельефа местности, применимый для мониторинга оползневых участков или ледников, в предположении, что поверхность, по которой смещаются эти объекты, конформна земной поверхности.

3. Метод расчета всех компонент вектора смещений по данным РСА интерферометрии, применимый для областей разработки нефтяных и газовых месторождений и основанный на уравнениях, задающих смещения на поверхности упругого или вязкоупругого полупространства в результате изменения давления в областях заданной конфигурации.

4. Оценка активности оползневого склона в районе пос. Кепша на новой трассе Адлер - Красная Поляна, скорость и направление смещения оползневых масс.

5. Оценки поля смещений земной поверхности в районе г. Альметьевска (Ромашкинское нефтяное месторождение, Республика Татарстан), величины и направления истинных смещений земной поверхности.

Апробация результатов исследования и публикации

Часть из вошедших в диссертацию результатов получена в рамках проекта РФФИ 12-05-31127 (руководитель Дмитриев П.Н.) и Минобрнауки (госконтракт № 16.515.11.5032).

По материалам диссертации опубликовано 2 работы в журналах, входящих в список ВАК, 1 статья подана в печать. Подана заявка на изобретение «Способ определения трех компонент вектора смещений земной поверхности при разработке нефтяных и газовых месторождений».

Основные результаты были представлены на 9, 10 и 11 открытых Всероссийских конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН в 2011-2013 гг„ на конференции Европейского космического агентства Fringe-2011, Frascatti, Italy, на конференции "Advances in Geological Remote Sensing" GRSG Annual General Meeting 2011 Including the 2011 Oil and Gas industry workshop 7th-9th December 2011, ESA ESRIN, Frascati, Italy, конференции ESA Living Planet Symposium Европейского космического агентства (Эдинбург, Англия, 9-13 сентября 2013), на конференции молодых ученых ИФЗ РАН 2011 г. конференции ИСУЖТ-2103, РЖД, Москва, 21 -22 октября 2013.

Личный вклад автора

1. Разработка метода выбора «области отсчета» при обработке данных дифференциальной РСА интерферометрии, предназначенного для подавления помех в условиях отсутствия априорных знаний о наличии и расположении стабильных участков земной поверхности. Разработка программ на языке

Python, реализующих разработанную методику как дополнительный модуль, надстраиваемый на программный комплекс StaMPS.

2. Разработка метода восстановления полного вектора смещений устойчиво отражающих площадок для оползневых склонов, основанного на предположении, что смещений происходит под действием силы тяжести по поверхности, конформной дневной поверхности выполнена совместно с В.О. Михайловым. Практическая реализация метода и его применение при анализе данных по оползневому склону в районе пос. Кепша выполнены самостоятельно.

3. Разработка метода восстановления трех компонент вектора смещений для областей разработки месторождений нефти и газа, основанного на математическом моделировании смещений земной поверхности в результате изменения давления в блоках месторождения, выполнена совместно с В.О. Михайловым. Практическая реализация метода и его применение при анализе данных по Ромашкинскому нефтяному месторождению выполнены самостоятельно.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 124 страницы машинописного текста, в том числе 10 таблиц, 29 рисунков и список использованных литературных источников из 100 наименований.

Краткое описание глав работы

Глава 1 содержит изложение теории спутниковой радиолокации с синтезированной апертурой (РСА), метода дифференциальной РСА-интерферометрии, а также метода устойчивых отражателей, обзор литературы по интерферометрической радиолокации с синтезированной апертурой (РСА) и опыту ее применения для геофизического мониторинга деформаций, связанных с

такими компонентами геоопасности, как оползни и деформации земной поверхности в областях разработки месторождений полезных ископаемых.

В Главе 2 излагается методика выбора «области отсчета» при обработке данных дифференциальной РСА интерферометрии для устранения помех в условиях отсутствия априорных знаний о наличии и расположении стабильных участков земной поверхности. Продемонстрировано ее применение для анализа малых смещений оползневого склона в районе пос. Кепша.

В Главе 3 излагается методика восстановления полного вектора смещений в предположении, что поверхность, по которой смещаются эти объекты, конформна земной поверхности. Продемонстрировано ее применение для анализа малых смещений оползневого склона в районе пос. Кепша.

В Главе 4 излагается методика расчета всех компонент вектора смещений по данным РСА интерферометрии, основанная на уравнениях, задающих смещения • на поверхности упругого или вязкоупругого полупространства в результате изменения давления в областях заданной конфигурации. Продемонстрирована работа методики на примере анали�