Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка возможностей PCA-интерферометрии в задачах геоэкологии и оценки геоопасности

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Оценка возможностей PCA-интерферометрии в задачах геоэкологии и оценки геоопасности"

На правах рукописи

Назарян Айк Назаретович

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ РСА-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ В ЗАДАЧАХ ГЕОЭКОЛОГИИ И ОЦЕНКИ ГЕООПАСНОСТИ

25.00.10 — Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2008

003456069

Работа выполнена на кафедре сейсмометрии и геоакустики геологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и в лаборатории математической геофизики и комплексной интерпретации геофизических данных Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Калинин Виктор Васильевич

доктор физико-математических наук, профессор Михайлов Валентин Олегович

доктор физико-математических наук Арефьев Сергей Сергеевич

кандидат физико-математических наук, доцент Смирнов Владимир Борисович

Ведущая организация:

Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН

Защита состоится 17 декабря 2008 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.64 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ, зона «А», Геологический факультет, аудитория 308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (ГЗ МГУ, зона «А», 6 этаж).

Автореферат разослан 14 ноября 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета:

Никулин Б. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время во всем мире выполняется огромное количество работ с применением методов спутниковой радиолокационной интерферометрии. Это оценка деформаций в результате опасных геологических процессов (землетрясения, вулканы, оползни, просадки грунтов и мн. др.), техногенных процессов (просадки сводов туннелей и горных выработок, отдельных зданий и т.д.) и задачи экологического мониторинга (разливов нефти, например).

Спутниковые данные для проведения такого рода исследований являются открытыми и могут быть получены в космических агентствах стран, владеющих спутниками. Тем не менее, объем работ в этом направлении в России невелик, хотя в такой огромной и динамично развивающейся стране как Россия, приложений для методов спутниковой интерферометрии особенно много.

Возьмем в качестве примера Алтайское землетрясение 27.09.2003 г. За три года до этого землетрясения на Алтае был организован геодинамический полигон. Более пяти лет здесь проводятся высокоточные геодезические измерения. Сразу после землетрясения была развернута сейсмологическая сеть, проведены сейсмотектонические исследования. По настоящее время проводится сейсмологический мониторинг. В то же время, весьма информативные исследования по методу спутниковой интерферометрии не проводились, модель поверхности разрыва не была построена. Эти исследования были выполнены нашими коллегами из США и Великобритании, но без использования огромного объема данных, собранного российскими учеными. Первая российская работа по комплексной инверсии наземных и спутниковых данных для очаговых зон землетрясений была выполнена в ИФЗ РАН при непосредственном участии автора данной диссертации. В результате была построена комплексная модель косейсмических деформаций для Алтайского землетрясения.

До настоящего времени в России не получил распространения и метод мониторинга техногенных сооружений, основанный на технике устойчивых отражателей (Persistent Scatterer Interferometry).

Актуальность работ по развитию и применению методов спутниковой интерферометрии для территории России, с учетом климатических, географических и других особенностей отдельных исследуемых территорий, представляется совершенно очевидной. Цель работы

Целью настоящей работы является развитие и применение методов дифференциальной спутниковой РСА-интерферометрии для оценки деформаций земной поверхности, в частности в результате землетрясений, и мониторинга техногенных объектов. Основные задачи

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

1. Обзор и систематизация 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. Оценка чувствительности метода к величине смещения различных типов земной поверхности. Анализ алгоритмов обработки радиолокационных данных по методу РСА-интерферометрии и методов интерпретации результатов обработки.

2. Комбинирование метода дифференциальной РСА-интерферометрии с методами наземных геофизических наблюдений при исследовании очаговых зон землетрясений. Разработка и реализация методов комплексной инверсии спутниковых и наземных данных для построения модели поверхности разрыва. Практическое применение метода для изучения косейсмических процессов в зоне Алтайского (27.09.2003) землетрясения.

3. Изучение возможности применения метода устойчивых отражателей для мониторинга городских территорий, отдельных зданий и составляющих их блоков на примере Главного здания МГУ и прилегающей территории. В частности, исследование возможности выявления долговременных трендов (до нескольких лет) в смещениях отдельных устойчиво отражающих площадок,

таких как участки крыши здания МГУ, устойчиво отражающие участки земной поверхности. Выработка рекомендаций по отбору снимков для исследуемой территории, для минимизации помех, связанных с атмосферой, снежным покровом и растительностью.

Научная новнзна исследования

1. Разработана новая методика совместной инверсии спутниковых и наземных данных для определения конфигурации поверхности разрыва и оценки распределения на ней вектора смещений.

2. С использованием разработанной методики построена новая модель области разрыва Алтайского землетрясения, согласующаяся со всем комплексом спутниковых и наземных данных.

3. С использованием техники устойчивых отражателей впервые проведен мониторинг динамики высотного здания МГУ и прилегающих территорий. Выявлено наличие сезонных и длиннопериодных (5 и более лет) составляющих движений, различная подвижность отдельных частей здания.

Практическая значимость исследования

1. Разработанная методика совместной инверсии спутниковых и наземных данных позволяет проводить совместный анализ всей имеющейся информации, что повышает устойчивость решения соответствующих обратных задач.

2. Построена новая модель зоны разрыва Алтайского землетрясения, согласованная со всем комплексом наземных и спутниковых данных, что важно для оценки динамики полей напряжений в Алтайском регионе и, в конечном счете, для оценки сейсмической опасности.

3. Впервые с использованием спутниковых данных выполнен мониторинг высотного здания МГУ и прилегающих территорий. Выявлено наличие длиннопериодных трендов в динамике здания. Полученные результаты важны для правильного планирования создаваемой в настоящее время комплексной системы мониторинга здания МГУ и прилегающих территорий.

4. На основании большого числа современных зарубежных и открытых отечественных работ выполнено систематическое описание теории методов спутниковой РСА-интерферометрии, освещенной в недостаточном объеме в

отечественной литературе. Что вместе с полученными результатами исследований, подтверждающими большие перспективы применения методов спутниковой интерферометрии на примере территории России, должно способствовать распространению данных методов в нашей стране.

Личный вклад автора

1. Освоение, установка, наладка и тестирование двух различных программных комплексов, использующих интерфейс командной строки Unix-систем, для интерферометрической обработки спутниковых радиолокационных данных (ROI PAC и DORIS).

2. Отбор, заказ и получение радиолокационных снимков в Европейском космическом агентстве. Подготовка цифровых моделей рельефа по данным SRTM (радарная топографическая съемка, миссия Шаттла).

3. Интерферометрическая обработка радиолокационных снимков, получение дифференциальных интерферограмм и их перевод в значения поля смещений (развертка фазы). Построение временных рядов методом устойчивых отражателей. Построение карт скоростей смещения.

4. Постановка задачи, численная реализация и проведение расчетов по совместной инверсии спутниковых и наземных данных выполнена в сотрудничестве с В. О. Михайловым и Е. А. Киселевой. Интерпретация данных по Алтайскому землетрясению и по мониторингу высотного здания МГУ выполнена совместно с В. О. Михайловым и С. А. Тихоцким.

Основные защищаемые положения

1. Разработана новая методика совместной инверсии спутниковых и наземных данных, позволяющая определить положение поверхности разрыва и распределение вектора смещений на ней. Методика реализована в виде пакета программ и опробована на теоретических и практических примерах.

2. Построена новая модель зоны разрыва и поля смещений Алтайского землетрясения (27.09.2003), объясняющая весь комплекс спутниковых и наземных данных о косейсмических движениях в очаговой зоне этого землетрясения. Новая модель важна для правильной оценки региональных полей напряжения и прогноза сейсмической опасности.

3. Показано, что при надлежащем выборе спутниковых снимков (орбиты, метеоусловия) метод устойчивых отражателей является надежным инструментом для выявления медленных и малых деформаций промышленных зданий и сооружений. С использованием этого метода впервые исследована динамика высотного здания МГУ и прилегающих территорий. Выявлены короткопериодные (сезонные) и длиннопериодные тренды в динамике здания МГУ и отдельных его частей на уровне миллиметров в год. Апробация результатов исследования и публикации

Вошедшие в диссертацию результаты получены в рамках проекта РФФИ «Определение локальных косейсмических деформаций на основе новых методов комплексного анализа спутниковых и наземных данных и исследование их взаимосвязи с региональными тектоническими напряжениями» (грант 08-05-00466), проектов Европейского космического агентства (ESA) № 4254 и № 4886, а также в периоды работы автора в Институте физики Земли Парижа (IPGP, Франция) в рамках научного сотрудничества между ИФЗ РАН и IPGP (июнь 2007 и 2008 г.) и Делфтском техническом университете (TU Delft, Голландия) в июне 2008 г.

Основные результаты были представлены на 31 Генеральной ассамблее Европейской сейсмологической комиссии (Крит, Греция, 8-12 сентября, 2008), 7-ом Международном симпозиуме «Проблемы экоинформатики» (Москва, 5-7 декабря 2006 г.), 62-ой научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 16-17 мая 2007 г.), 3-ей Международной конференции «Земля из космоса — наиболее эффективные решения» (Московская область, Ленинский район, п/о Ватутинки-1, ФГУДП ОК "Ватутинки", 4-6 декабря 2007 г.), а также на семинарах ИФЗ РАН, отделения геофизики геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, Института физики Земли Парижа (IPGP) и Делфтского технического университета (TU Delft).

По материалам диссертации опубликовано 7 работ. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 119 страниц машинописного текста, в том числе 5 таблиц, 35 рисунков и список использованных литературных источников из 125 наименований.

Благодарности

Автор выражает большую благодарность своим научным руководителям: доктору физико-математических наук, профессору В. О. Михайлову за неизменное внимание, грамотно поставленные задачи, установление необходимых научных контактов, организацию крайне полезных командировок и доктору физико-математических наук, профессору В. В. Калинину за ценные обсуждения физических основ РСА-интерферометрии, помощь в процессе написания работы и расширение кругозора.

Автор выражает искреннюю признательность экспертам в области спутниковой интерферометрии Р. Ханссену (Голландия), Ж.-Б. де Шебалье (Франция), Ю. Фиалко (США) и Я. Хамелю (Израиль) за помощь и консультации в период освоения интерферометрических методов и выполнения данной работы, а также Е. А. Киселевой и С. А. Тихоцкому за помощь в реализации схемы решения обратной задачи.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность М. Диаману и Н. Шапиро за поддержку проектов в рамках научного сотрудничества между ИФЗ РАН и 1РСР.

Автор безмерно благодарен своему отцу, доктору физико-математических наук, Назаряну Н. А. и матери Назарян А. В. за предоставленную возможность заниматься научной деятельностью в процессе учебы в аспирантуре.

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 теоретический анализ возможностей спутниковых радиолокационных систем при решении ряда задач геофизического и экологического мониторинга. Анализируются преимущества спутниковых радиолокаторов, как активного метода дистанционного зондирования Земли. Глава содержит детальный обзор литературы по интерферометрической радиолокации с синтезированной апертурой (РСА) и опыту ее применения для геофизического

мониторинга деформаций, связанных с такими компонентами геоопасности, как землетрясения, вулканическая деятельность, оползни и т. д.

Глава 2 содержит систематическое изложение теоретических основ спутниковой радиолокации с синтезированной апертурой (РСА), метода дифференциальной РСА-интерферометрии, а также метода устойчивых отражателей. Несмотря на достаточно широкое применение методов РСА-интерферометрии, в отечественной литературе остаются незатронутыми многие вопросы теории этих методов. Поэтому автор счел необходимым привести в данной главе описание теории дифференциальной РСА-интерферометрии и метода устойчивых отражателей, подготовленной на основе большого обзора современных иностранных и открытых отечественных публикаций.

В Главе 3 излагается предлагаемый подход к комбинированию метода спутниковой дифференциальной РСА-интерферометрии с методами наземных геофизических наблюдений при исследовании очаговых зон землетрясений.

Первая часть главы содержит математическую постановку задачи об определении поверхности разрыва и поля смещений на ней. Для математического описания короткопериодных деформаций в слоях земной коры в результате землетрясений относительно малой магнитуды в подавляющем большинстве работ используется модель дислокации в упругом полупространстве. Это решение может быть аналитически проинтегрировано по прямоугольной площадке, имитирующей поверхность сейсмического разрыва. Разрыв сложной формы можно аппроксимировать набором элементарных плоскостей, суммируя решения для каждой плоскости в отдельности, поскольку в рамках линейной теории упругости задача является линейной и полное смещение равно сумме смещений от всех плоскостей.

Каждая плоскость характеризуется девятью параметрами (три координаты, например одного из ее углов, либо центра верхней или нижней, как на рис. 1, кромки, углы падения и простирания, два линейных размера, две компоненты или модуль и направление вектора смещений).

Рис. 1. Параметры плоскости разрыва: 2Ь - длина по простиранию, IV - длина по падению, с} - глубина до нижней кромки, 8 — угол падения, <р — угол, отсчитываемый от направления на север до оси Оу по часовой стрелке, у - угол между вектором смещения и (]и| = а,) и направлением оси Ох, также отсчитываемый по часовой стрелке.

Важно, что часть этих параметров можно оценить априори. Так для оценки средних значений углов падения и простирания поверхности разрыва можно использовать данные о механизме очага землетрясения (нодальные плоскости).

Компоненты вектора смещений на поверхности упругого полупространства согласно работе (У. Окаёа, 1985) равны:

Ux =--•¡COS?'

In

- + tan_1—+/, sine)

cosy У Я

R+T] _ R

R(R+ti) qR

+ qcosS +12 sinS(R + ri)

+ sin/

— -/, sin<Jcos<? R 3

smy

yq + cos8tan '—-I.RsmScosS .(*+& 4

- + qsinS + It(R + r])sinS

соъу 'dq

я+ч R

sin ^

^ q -+sm<J tan ' —-/.^siniJcos^

(R + Z)

(1)

Здесь, при соэ£ /= ^ Х + ц

-1

м

Х + ц

У

cosS R + d

cos<? R + d sin S

COS0 Л + Ц

C0S<?

Л> h =

И

X + ц cos£

—[ln(/f + d)~ sin S 1п(я + >;)],

2 , ??(X + l?cos£)+Ar(.ft +X)sin£ A + //cos<S <^(R + X)cosS

и при cos£ = 0: /.=—J^—,г , v, , /, = . /f , —-ln(/? + ^)

/4 = —---^, /5 = —— ^ (при cos5 = 0 следует учесть, что возможны два

Л + ц R + d Л + fj R + d

случая sine) =+1 и -1).

Здесь были использованы следующие обозначния: а — модуль вектора смещений U, p = ycosS+dsmS, q = ysmö-dcos<5, y = 7]cosö+qsmö, d = rjsmS-qcosd, R2 = + rf + q2, X2 = + q1. Переменные с, и ц определяются через пределы интегрирования как: /(%,!])= f(x,p)~f{x,p-w)~f(x-L,p) + f{x-L,p-w). Символами X и ju обозначены постоянные Ламе. Параметры плоскостей определены на рис. 1.

Задача решалась в следующей постановке. Пусть для области землетрясения имеются интерферометрические данные о смещениях дневной поверхности в проекции на направление на спутник (LOS): (Дифференциальная

интерферометрия дает только эту проекцию). Пусть также имеются данные GPS в некоторой системе пунктов повторных наблюдений, характеризующие горизонтальные косейсмические смещения на север и восток {^„„„¿(^.Я,), КаА<Pj>Aj)}- Аппроксимируем поверхность разрыва набором плоскостей. Далее каждая плоскость может быть разбита на прямоугольные подобласти, в пределах которых компоненты вектора смещений по падению — U[ и по простиранию — считаются постоянными и подлежат определению из условия (здесь применена сквозная нумерация i=l, 2,...число плоскостей х число подобластей):

Цт' +lviz +«IKr-^rll+^{И52^/5*2!! Aa2u»idx2ih+

^Ujdy^^Ujdy^Ymm, (2)

где расчетные смещения линейно зависят от набора неизвестных смещений и' и на каждом элементе разбиения каждой плоскости, т.е. задача сводится к решению системы линейных уравнений относительно и U' . Параметр а учитывает различный уровень точности интерферометрических и GPS данных; параметр ß определяет степень сглаживания.

Была применена следующая стратегия решения задачи. Сначала поверхность разрыва аппроксимировалась тремя плоскостями и методом простого перебора в рамках заданных пределов по глубине верхней и нижней кромки и углу падения определялось наилучшее решение в смысле (2). Далее плоскости разбивались на 2, потом 4 части и т. д. до тех пор, пока решение не стабилизировалось. Такая схема позволяет получать достаточно детальное решение, но избегать излишне мелких разбиений, ведущих к неустойчивости. В процессе сопоставления полученного решения с комплексом имеющихся данных проводилась коррекция углов простирания и размеров плоскостей.

Решение поставленной задачи получено с использованием алгоритма LSQR, который весьма эффективен для нахождения решения системы линейных уравнений Ах = Ь или min || Ах-Ь\\^ в случаях, когда матрица Л имеет большую размерность и

сильно разрежена. Метод использует процедуру приведения матрицы к бидиагональному виду, разработанную Дж. Голубом и А. Каханом. Аналитически эта процедура эквивалентна стандартному методу сопряженных градиентов, но более удобна при численной реализации. Процедура содержит эффективный критерий останова с оценкой среднеквадратической ошибки определения вектора х и числа обусловленности матрицы А. Алгоритм эффективен при решении систем с плохо обусловленной матрицей.

Для решения задачи (2) строится матрица А, в начале которой стоят значения Ka"suj,k' Рассчитанные для каждого пункта GPS измерений /7( от каждой плоскости j, при единичном смещении по падению (к=1) и простиранию (к=2). Затем, аналогично выписываются строки для Vnpo^JJ k, затем строки W£"j4j k, умноженные на

а, строки с сеточными производными от компонент вектора смещений по простиранию и по падению (см. функционал 2), умноженные на /?.

Данная схема была реализована в виде программного обеспечения на языке Фортран и протестирована на теоретических примерах. Тесты показали, что метод является устойчивым.

Вторая часть главы содержит описание Алтайского землетрясения, которое произошло 27 сентября 2003 г.

В третьей части главы изложен принцип отбора данных РСА и результаты их обработки методом дифференциальной РСА-интерферометрии (рис. 2).

87° 87.2° 87.4° 87.6° 87.8° 88° 88.2° 88.4° 88.6° 88.8° 89° Рис. 2. Фазовая дифференциальная интерферограмма, полученная по паре снимков 23.08.03-13.10.03. Полный цветовой цикл соответствует смещению на половину длины волны, равному 2.8 см. Цифрами обозначены Курайская (1) и Чуйская (2) впадины. Звездочки - положения эпицентров главного толчка (М„=7.2) и основных афтершоков.

Для Алтайского землетрясения имеются данные повторных геодезических наблюдений, которые характеризуют косейсмическое смещение. Эти данные позволяют существенно повысить устойчивость решения обратной задачи.

В последней части главы приводятся результаты инверсии и их интерпретация. На рисунке 3 приведены результаты решения обратной задачи (2). В результате проведения на Алтае сейсмотектонических работ удалось протрассировать значительную часть выхода на поверхность сейсмического разрыва (розовая линия на рис. 3), что позволило построить более детальную модель этой поверхности, состоящую из трех плоскостей, и оценить протяженность каждой из них. Путем выбора параметров сглаживания и веса геодезических данных, удалось получить гладкое, устойчивое решение, которое практически не изменялось при разбиении каждой из трех исходных плоскостей на более мелкие подобласти. Решение хорошо согласуется с данными геодезии, на что указывает хорошее совпадение красных (реальные данные) и черных (расчет) стрелок. Расчетное поле смещений в

направлении на спутник (изолинии) близко к смещениям по данным дифференциальной интерферометрии (показаны цветом).

50.7

от-20 до -10 от-10 до 10 от 10 до 25 от 25 до 50 от 50 до 75 от 75 до 133

87.6° 87.8° 88° 88.2° 88.4° 88.6° 88.8° 89°

Рис. 3. Сравнение натурных и теоретических данных. Натурные данные: поле смещений в направлении на спутник, рассчитанное по фазовой интерферограмме (рис. 2) в см показано цветовой шкалой, горизонтальные смещения по данным GPS- красными стрелками. Наша модель: расчетные смещения в направлении на спутник в см показаны изолиниями, горизонтальные смещения - черными стрелками, проекция на дневную поверхность плоскостей, аппроксимирующих поверхность разрыва, - черными прямоугольниками. Модель, построенная в работе (Nissen et al., 2007): расчетные горизонтальные смещения показаны коричневыми стрелками, проекция поверхности разрыва - зелеными прямоугольниками. Розовые линии —разломы, выделенные по данным полевых наблюдений (Nissen et al., 2007).

Геодезические данные в данном случае играют существенную роль, поскольку в области максимальных смещений разрешение интерферометрических данных не позволяет провести уверенную развертку фазы. В связи с чем, эта часть интерферограммы не может быть использована.

Найденные нами углы падения и протяженность на глубину плоскостей близки к модели, построенной в (Nissen et al., 2007), за исключением средней плоскости (В), имеющей в нашем решении более крутое падание и большую глубину верхней и нижней кромки (Таблица 1). Движения на плоскости В близки к чистому сдвигу при небольшой надвиговой компоненте в модели (Nissen et al., 2007) и небольшой сбросовой компоненте в нашем решении. Отметим, что натурными наблюдениями зафиксированы трещины растяжения шириной до 10 м и глубиной до 3 м, что можно объяснить наличием сбросовой компоненты.

Табл. 1. Сравнение решений, полученных только по данным интерферометрии (Nissen et al., 2007) и совместно с данными геодезии (данная работа). В скобках приведены два близких по невязке решения для плоскости С.

Плоскость Простирание (град) Падение (град) Напр. смещения (град) Смещение (м) Верх, кромка (км) Ниж. кромка (км) Длина по прост, (км) Магниту да

А (Nissen et al., 2007), Модель (i) 322 80 145 1.27 1.8 25.9 12.3 6.67

В 305 80 146 1.61 0 9.7 25.3 6.77

С 295 57 96 4.63 1.4 11.4 8.2 6.76

А Данная работа 322 83 156 2.15 1.8 26.6 12.3 6.81

В 315 89 -170 2.5 2 27 32 7.15

С 270 45 (51) 90 (87) 7.36 (5.66) 5 (2.0) 15.6 (13.7) 9.4 6.94 (6.87)

Глава 4 посвящена применению метода устойчивых отражателей для мониторинга высотного здания МГУ и прилегающих территорий. В первой части главы обсуждаются возможности мониторинга городских территорий методами спутниковой интерферометрии, а именно методом устойчивых отражателей. Во второй части главы приводится история мониторинга здания. Наблюдения за осадками здания были начаты по окончании бетонирования нижней железобетонной плиты 10 июля 1949 г. Фактическая осадка ГЗ МГУ на 1972 год составила для центральной части: максимальная 9.3 см, средняя 6.5 см; для крыльев: максимальная 7.4 см, средняя 5.7 см. Максимальный прогиб центральной части - 8 см, крен - 3°. Последние измерения осадок производились нерегулярно и были выполнены в 1982 году.

Третья часть главы содержит сведения об отобранных данных РСА и результаты их обработки по методу устойчивых отражателей. Для мониторинга деформаций Главного здания МГУ и прилегающих территорий методом устойчивых отражателей было решено использовать два набора данных РСА: первый по спутникам ERS-1/2, второй по спутнику ENVISAT. В связи с тем, что дифференциальная РСА-интерферометрия позволяет оценить смещения в проекции на линию наблюдения РЛС, набор снимков по спутникам ERS-1/2 отбирался из базы снимков, полученных с нисходящих орбит, а по спутнику ENVISAT - с восходящих, с тем, чтобы получить оценку компонент смещений в различных проекциях на направление на спутник. По спутникам ERS-1/2 было отобрано 37 снимков по треку 479. В качестве базового снимка при обработке методом устойчивых отражателей был выбран снимок от 23 мая 1999 г., номер орбиты 21375. По спутнику ENVISAT было отобрано 22 снимка по треку 271. В качестве базового снимка при обработке методом устойчивых отражателей был выбран снимок от 12 ноября 2005 г., номер орбиты 19363. Отобранные снимки по спутникам ERS-1/2 охватили период с 1992 по 2003 гг., а по спутнику ENVISAT - с 2000 по 2007 гг.

Обработка отобранных данных по методу дифференциальной РСА-интерферометрии выполнялась в программном комплексе DORIS, разработанном в институте DEOS - подразделении Дельфтского технического университета (TU Delft). Обработка рассчитанных наборов дифференциальных интерферограмм по методу устойчивых отражателей выполнялась в программном пакете MATLAB с использованием программных кодов, разработанных в лаборатории Делфтского технического университета, а также кодов разработанных лично автором данной работы. В основе всех алгоритмов обработки лежит теория метода «Persistent Scatterer Interferometry», предложенная в конце 90-ых годов специалистами Миланского технического университета (POLIMI) A. Ferretti, F. Rocca и С. Prati.

Поскольку требовалось рассчитать большое количество дифференциальных интерферограмм (21 по данным ENVISAT и 36 по данным ERS-1/2), для чего необходим значительный объем вычислений, исследуемая область на снимках была ограничена размерами 10 х 10 км с центром в области высотного здания МГУ.

В связи с тем, что снимки получены с разных положений спутника (отбирались все снимки, без введения порога базы интерферометра, как в классической РСА-интерферометрии) и с большим временным разбросом, рассчитанные дифференциальные интерферограммы характеризуются декорреляцией, связанной с изменением характера рассеяния (меняется растительность, влажность, появляется снеговой покров и т. д.). Ни одна из рассчитанных дифференциальных интерферограмм не содержала сколь-либо регулярной системы интерференционных полос, т. е. выявление медленных и малых деформаций рассматриваемой территории с помощью классической дифференциальной РСА-интерферометрии оказалось невозможным.

Таким образом, решение о применении метода устойчивых отражателей полностью оправдано. После расчета наборов дифференциальных интерферограмм был проведен отбор точек, характеризующихся наилучшей корреляцией амплитудных значений. Для этого, ко всему набору снимков была применена процедура оценки атмосферных искажений, с использованием алгоритмов, разработанных А. Ferreti, F. Rocca, С. Prati, В. Kampes и A. Hooper.

В последней части главы приводятся полученные результаты и их интерпретация. В результате обработки отобранных данных по методу устойчивых отражателей были построены карты скоростей смещений устойчиво отражающих площадок исследуемой территории (рис. 4-5). Результаты по данным ERS-1/2 более стабильны в связи с большим количеством снимков и большим периодом анализа, что позволило лучше подавить атмосферные артефакты и получить лучшее накопление для амплитуд устойчивых отражателей. Поэтому анализ динамики высотного здания МГУ проводился по результатам обработки данных ERS-1/2.

Из всего набора выделенных устойчивых отражателей были выделены те, которые соответствуют основным отражающим площадкам здания МГУ (рис. 6).

Смещения во времени показанных на рис. 6 устойчиво отражающих площадок содержат явно выраженную сезонную компоненту, связанную в основном с выпадением и таянием снега.

йрЕ" -й-. 'S

/у-г >щЛ

Л 1-1' 'л '

¿Дра -;.»У>-v.J.- * v

ИД цЛКП^'у^ »

oJfcij^^- - i

SäSjV jJ

ВпшР Зч

мм/год

5

Рис. 4. Карта скоростей смещений (в проекции на линию наблюдения спутника) устойчиво отражающих площадок, мм/год. Для расчетов использована 21 интерферограмма по 22 радиолокационным снимкам спутника ENVISAT, полученным с 2003-2007 гг. Базовый снимок (Master image): 12.11.2005.

Стрелками показаны: линия наблюдения (LOS) и направление полета спутника.

's - * ,и-т 1 Шшш'- f- 'S"' ^Bir^Xfc tez-Jfi.-t , р

ZfZiwC'-^i». кШЗШ-i

ШР ж 1 1 ЗЗвРЧШЯ

мм/год

5

Рис. 5. Карта скоростей смещений (в проекции на линию наблюдения спутника) устойчиво отражающих площадок, мм/год. Для расчетов использовано 36 интерферограмм по 37 радиолокационным снимкам спутников ERS1/2, полученным с 1992-2003 гг. Базовый снимок (Master image): 23.05.1999.

Стрелками показаны: линия наблюдения (LOS) и направление полета спутника.

Рис. 6. Обозначение основных отражающих площадок высотного здания МГУ.

Для выделения долговременных трендов, характеризующих многолетние систематические движения ГЗ МГУ, были выполнены оценки коэффициентов линейной регрессии с по данным временным рядам. Из-за наличия высокоамплитудного шума, включающего сезонную компоненту и случайные погрешности определения смещений, ненулевые значения коэффициентов регрессии не обязательно свидетельствуют о наличии долговременных трендов. Более определенно судить об этом можно на основании результатов проверки гипотезы Н: {с = 0} с использованием статистического критерия Стьюдента. В таблице 2 приведены значения коэффициентов регрессии с и уровень значимости (), на котором указанная гипотеза отвергается (уровень значимости определяет вероятность напрасно отвергнуть гипотезу Н, следовательно, чем меньше Q, тем с большей определенностью можно говорить о наличии долговременного тренда).

Таким образом, центральная часть здания - зона "А" (точки А, В, С) и примыкающие к ней зоны "Б" и "В" (точки Б и Е соответственно), характеризуются отрицательными трендами смещения, при этом для частей зоны "А" выявленные тренды не превосходят 1 мм/год и не могут считаться значимыми ((?>45%), для зон "Б" и "В" оценки с немного больше, причем их значимость также возрастает, в особенности для зоны "Б" (точка Г)).

Табл. 2. Коэффициенты линейной регрессии и их уровень значимости для площадок на ГЗ МГУ, показанных на рис. 6.

Точка на рис. 6 Коэффициент линейной регрессии с Уровень значимости ()

А -0,48 0,46

В -0,82 0,48

С -0,88 0,48

э -1,34 0,45

Е -1,2 0,47

Р 2,75 0,40

в 0,54 0,49

н -0,14 0,49

I -0,61 0,47

Крылья высотного здания МГУ, по нашим данным, демонстрируют разнонаправленную динамику долговременных смещений: северные боковые крылья, выходящие к Москве-реке (точки Г и в), характеризуются положительными значениями коэффициентов регрессии, тогда как южные крылья демонстрируют отрицательные значения, по амплитуде даже ниже тех, что характерны для центральной части здания. Впрочем, статистически значимым (на уровне 0=40%) может считаться лишь долговременный тренд ~2,75 мм/год, выявленный для северовосточного крыла здания (точка Б).

Основное значение полученных результатов состоит в демонстрации возможностей применения метода устойчивых отражателей для мониторинга городских зданий в условиях, аналогичных региону Москвы. Полученные тренды должны быть использованы для планирования пунктов непрерывного мониторинга высотного здания МГУ и прилегающих территорий. Важно, что возможности метода устойчивых отражателей для мониторинга здания МГУ в данном исследовании далеко не полностью исчерпаны. Планируется использовать другие орбиты, провести более сложный статистический анализ результатов для получения более устойчивых оценок, как долговременных смещений, так и амплитуд сезонных компонент, а также приобрести в Европейском космическом агентстве снимки спутника Е118-2 на период после 2003 г. Это позволит удлинить временные ряды и сделать более определенные выводы о динамике исследуемых объектов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Предложенный в работе метод совместной инверсии данных спутниковой РСА-интерферометрии и наземных данных (геодезия, сейсмология, сейсмотектоника) позволяет уточнить положение поверхности сейсмического разрыва и определить распределение на ней вектора смещений.

Проведена апробация предложенного метода на примере Алтайского землетрясения 23.09.2003 г. Построенная в работе модель данного землетрясения хорошо согласуется со всем комплексом имеющихся натурных данных, включая результаты полевых наблюдений и региональную геодинамику. В частности, достигнуто хорошее согласие с данными повторных геодезических наблюдений и оценками магнитуды сейсмического события.

Комплексная инверсия данных интерферометрии и геодезии позволяет существенно повысить точность и устойчивость решения обратной задачи. Построение детальной модели плоскости разрыва и реконструкция движений на ней важно для оценки изменений региональных полей напряжений в результате землетрясений и, в конечном счете, для прогноза областей будущих сейсмических событий.

Проанализированы преимущества и возможности метода устойчивых отражателей для мониторинга городских территорий и отдельных зданий. Метод был применен для исследования динамики высотного здания МГУ и прилегающих территорий. Для отдельных устойчиво отражающих площадок ГЗ МГУ оценены коэффициенты линейной регрессии и их уровень значимости. Выявлена разнонаправленная долговременная динамика отдельных частей здания. Для получения более достоверных результатов рекомендуется продолжить мониторинг высотного здания МГУ, в частности включить в расчеты данные РСА последних лет. Это позволит более детально исследовать поведение длиннопериодной компоненты движений всего здания и отдельных его блоков. Для восстановления полного вектора смещений необходимо провести совместный анализ данных по различным трекам и различным спутникам, привлечь результаты повторного спутникового позиционирования (GPS, GLONASS) и наземных методов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Применение метода дифференциальной спутниковой интерферометрии для изучения деформаций земной поверхности на примере Чуйского землетрясения 27.09.2003 / А. Н. Назарян, В. О. Михайлов, Е. А. Киселева, Е. И. Смольянинова, Е. П. Тимошкина, М. Диаман, Н. Шапиро // Геофизика. — 2008. — № 5. — С. 6975.

2. Потапов, И. И. Методы интерферометрии в задачах оценки геоопасности / И. И. Потапов, А. Н. Назарян, В. Ю. Солдатов // Экологические системы и приборы. — 2007.-№ 12.-С. 43-46.

3. Назарян, А. Н. Оценка геоопасности методами SAR интерферометрии / А. Н. Назарян // Материалы 7-го Международного симпозиума «Проблемы экоинформатики», 5-7 дек. 2006 г., Москва, — С. 128-134.

4. Назарян, А. Н. Оценка параметров распространения микроволнового излучения в растительном покрове / А. Н. Назарян, В. Ю. Солдатов, Ал. А. Чухланцев // Материалы 7-го Международного симпозиума «Проблемы экоинформатики», 5-7 дек. 2006 г., Москва, - С. 135-143.

5. Назарян, А. Н. SAR интерферометрия в оценке геоопасности / А. Н. Назарян // Труды РНТОРЭС им. A.C. Попова. Серия: Научная сессия, посвященная дню радио. Выпуск: LXII. 16-17 мая 2007 г., Москва. — С. 75-76.

6. Михайлов, В. О. Как комбинировать результаты дифференциальной спутниковой радиолокационной интерферометрии (DInSAR) с наземными измерениями при изучении механизма очага землетрясений / В. О. Михайлов, А. Н. Назарян, Е. И. Смольянинова // Тезисы докладов третьей международной конференции «Земля из космоса — наиболее эффективные решения», 4-6 дек. 2007 г., Москва

7. Chuya (Altai) 27.09.2003 Earthquake: A New Model Constrained by DInSAR, GPS, Seismology and Seismotectonics / Nazaryan A., Mikhailov V., Kiseleva E., Timoshkina E., Diament M., Shapiro N. // 31st General Assembly of the European Seismological Commission, 7-12 September 2008, Hersonissos, Greece. Oral & Poster Abstracts.

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Назарян, Айк Назаретович

Введение.

ГЛАВА 1. Возможности спутниковых радиолокационных систем ДЗЗ при решении задач геофизического и экологического мониторинга.

1.1. Дистанционное зондирование Земли.

1.2. Спутниковые радиолокационные системы ДЗЗ.

1.3. РСА.

1.4. РСА-интерферометрия и ее применение для мониторинга деформаций.

1.5. Метод устойчивых отражателей.

ГЛАВА 2. Основы методов интерферометрической РСА.

2.1. Радиолокатор.

2.2. Основные принципы РСА.

2.3. Интерференция.

2.4. РСА-интерферометрия.

2.5. Метод устойчивых отражателей.

ГЛАВА 3. Методика комплексной иитерпретации спутниковых и наземных данных для определения положения плоскости разрыва и распределения на ней вектора смещений и ее применение к исследованию Алтайского землетрясения (27.09.2003).

3.1. Математическая постановка задачи об определении поверхности разрыва и поля смещений на ней.

3.1.1. Решение прямой задачи.

3.1.2. Решение обратной задачи.

3.2. Алтайское землетрясение 27.09.2003.

3.3. РСА данные, их обработка, определение поля смещений.

3.4. Результаты инверсии и их интерпретация.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. Применение метода устойчивых отражателей для мониторинга высотного здания МГУ и прилегающих территорий.

4.1. Возможности мониторинга городских территорий.

4.2. История мониторинга высотного здания МГУ.

4.3. РСА данные и их обработка.

4.4. Результаты и их интерпретация.

4.5. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оценка возможностей PCA-интерферометрии в задачах геоэкологии и оценки геоопасности"

Актуальность работы

В настоящее время во всем мире выполняется огромное количество работ с применением методов спутниковой радиолокационной интерферометрии. Это оценка деформаций в результате опасных геологических процессов (землетрясения, вулканы, оползни, просадки грунтов и мн. др.), техногенных процессов (просадки сводов туннелей и горных выработок, отдельных зданий и т.д.) и задачи экологического мониторинга (разливов нефти, например).

Спутниковые данные для проведения такого рода исследований являются открытыми и могут быть получены в космических агентствах стран, владеющих спутниками. Тем не менее, объем работ в этом направлении в России невелик, хотя в такой огромной и динамично развивающейся стране как Россия, приложений для методов спутниковой интерферометрии особенно много.

Возьмем в качестве примера Алтайское землетрясение 27.09.2003 г. За три года до этого землетрясения на Алтае был организован геодинамический полигон. Более пяти лет здесь проводятся высокоточные геодезические измерения. Сразу после землетрясения была развернута сейсмологическая сеть, проведены сейсмотектонические исследования. По настоящее время проводится сейсмологический мониторинг. В то же время, весьма информативные исследования по методу спутниковой интерферометрии не проводились, модель поверхности разрыва не была построена. Эти исследования были выполнены нашими коллегами из США и Великобритании, но без использования огромного объема данных, собранного российскими учеными. Первая российская работа по комплексной инверсии наземных и спутниковых данных для очаговых зон землетрясений была выполнена в ИФЗ РАН при непосредственном участии автора данной диссертации. В результате была построена комплексная модель косейсмических деформаций для Алтайского землетрясения.

До настоящего времени в России не получил распространения и метод мониторинга техногенных сооружений, основанный на технике устойчивых отражателей (Persistent Scatterer Interferometry).

Актуальность работ по развитию и применению методов спутниковой интерферометрии для территории России, с учетом климатических, географических и других особенностей отдельных исследуемых территорий, представляется совершенно очевидной. Цель работы

Целью настоящей работы является развитие и применение методов дифференциальной спутниковой РСА-интерферометрии для оценки деформаций земной поверхности, в частности в результате землетрясений, и мониторинга техногенных объектов. Основные задачи

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

1. Обзор и систематизация 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. Оценка чувствительности метода к величине смещения различных типов земной поверхности. Анализ алгоритмов обработки радиолокационных данных по методу РСА-интерферометрии и методов интерпретации результатов обработки.

2. Комбинирование метода дифференциальной РСА-интерферометрии с методами наземных геофизических наблюдений при исследовании очаговых зон землетрясений. Разработка и реализация методов комплексной инверсии спутниковых и наземных данных для построения модели поверхности разрыва. Практическое применение метода для изучения косейсмических процессов в зоне Алтайского (27.09.2003) землетрясения.

3. Изучение возможности применения метода устойчивых отражателей для мониторинга городских территорий, отдельных зданий и составляющих их блоков на примере Главного здания МГУ и прилегающей территории. В частности, исследование возможности выявления долговременных трендов (до нескольких лет) в смещениях отдельных устойчиво отражающих площадок, таких как участки крыши здания МГУ, устойчиво отражающие участки земной поверхности. Выработка рекомендаций по отбору снимков для исследуемой территории, для минимизации помех, связанных с атмосферой, снежным покровом и растительностью.

Научная новизна исследования

1. Разработана новая методика совместной инверсии спутниковых и наземных данных для определения конфигурации поверхности разрыва и оценки распределения на ней вектора смещений.

2. С использованием разработанной методики построена новая модель области разрыва Алтайского землетрясения, согласующаяся со всем комплексом спутниковых и наземных данных.

3. С использованием техники устойчивых отражателей впервые проведен мониторинг динамики высотного здания МГУ и прилегающих территорий. Выявлено наличие сезонных и длиннопериодных (5 и более лет) составляющих движений, различная подвижность отдельных частей здания.

Практическая значимость исследования

1. Разработанная методика совместной инверсии спутниковых и наземных данных позволяет проводить совместный анализ всей имеющейся информации, что повышает устойчивость решения соответствующих обратных задач.

2. Построена новая модель зоны разрыва Алтайского землетрясения, согласованная со всем комплексом наземных и спутниковых данных, что важно для оценки динамики полей напряжений в Алтайском регионе и, в конечном счете, для оценки сейсмической опасности.

3. Впервые с использованием спутниковых данных выполнен мониторинг высотного здания МГУ и прилегающих территорий. Выявлено наличие длиннопериодных трендов в динамике здания. Полученные результаты важны для правильного планирования создаваемой в настоящее время комплексной системы мониторинга здания МГУ и прилегающих территорий.

4. На основании большого числа современных зарубежных и открытых отечественных работ выполнено систематическое описание теории методов спутниковой РСА-интерферометрии, освещенной в недостаточном объеме в отечественной литературе. Что вместе с полученными результатами исследований, подтверждающими большие перспективы применения методов спутниковой интерферометрии на примере территории России, должно способствовать распространению данных методов в нашей стране.

Личный вклад автора

1. Освоение, установка, наладка и тестирование двух различных программных комплексов, использующих интерфейс командной строки Unix-систем, для интерферометрической обработки спутниковых радиолокационных данных (ROIPAC и DORIS).

2. Отбор, заказ и получение радиолокационных снимков в Европейском космическом агентстве. Подготовка цифровых моделей рельефа по данным SRTM (радарная топографическая съемка, миссия Шаттл).

3. Интерферометрическая обработка радиолокационных снимков, получение дифференциальных интерферограмм и их перевод в значения поля смещений (развертка фазы). Построение временных рядов методом устойчивых отражателей. Построение карт скоростей смещения.

4. Постановка задачи, численная реализация и проведение расчетов по совместной инверсии спутниковых и наземных данных выполнена в сотрудничестве с В. О. Михайловым и Е. А. Киселевой. Интерпретация данных по Алтайскому землетрясению и по мониторингу высотного здания МГУ выполнена совместно с В. О. Михайловым и С. А. Тихоцким.

Основные защищаемые положения

1. Разработана новая методика совместной инверсии спутниковых и наземных данных, позволяющая определить положение поверхности разрыва и распределение вектора смещений на ней. Методика реализована в виде пакета программ и опробована на теоретических и практических примерах.

2. Построена новая модель зоны разрыва и поля смещений Алтайского землетрясения (27.09.2003), объясняющая весь комплекс спутниковых и наземных данных о косейсмических движениях в очаговой зоне этого землетрясения. Новая модель важна для правильной оценки региональных полей напряжения и прогноза сейсмической опасности.

3. Показано, что прп надлежащем выборе спутниковых снимков (орбиты, метеоусловия) метод устойчивых отражателей является надежным инструментом для выявления медленных и малых деформаций промышленных зданий и сооружений. С использованием этого метода впервые исследована динамика высотного здания МГУ и прилегающих территорий. Выявлены короткопериодные (сезонные) и длиннопериодные тренды в динамике здания МГУ и отдельных его частей на уровне миллиметров в год.

Апробация результатов исследования и публикации

Вошедшие в диссертацию результаты получены в рамках проекта РФФИ

Определение локальных ко сейсмических деформаций на основе новых методов комплексного анализа спутниковых и наземных данных и исследование их взаимосвязи с региональными тектоническими напряжениями» (грант 08-05-00466), проектов Европейского космического агентства (ESA) № 4254 и № 4886, а также в периоды работы автора в Институте физики Земли Парижа (IPGP, Франция) в рамках научного сотрудничества между ИФЗ РАН и IPGP (июнь 2007 и 2008 г.) и Делфтском техническом университете (TU Delft, Голландия) в июне 2008 г.

Основные результаты были представлены на 31 Генеральной ассамблее Европейской сейсмологической комиссии (Крит, Греция, 8-12 сентября, 2008), 7-ом Международном симпозиуме «Проблемы экоинформатики» (Москва, 5-7 декабря 2006 г.), 62-ой научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 1617 мая 2007 г.), 3-ей Международной конференции «Земля из космоса — наиболее эффективные решения» (Московская область, Ленинский район, п/о Ватутинки-1, ФГУДП ОК "Ватутинки", 4-6 декабря 2007 г.), а также на семинарах ИФЗ РАН, отделения геофизики геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, Института физики Земли Парижа (IPGP) и Делфтского технического университета (TU Delft).

По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Назарян, Айк Назаретович

4.5. Выводы

Основное значение полученных результатов состоит в демонстрации возможностей применения метода устойчивых отражателей для мониторинга городских зданий в условиях, аналогичных региону Москвы. Полученные тренды должны быть использованы для планирования пунктов непрерывного мониторинга высотного здания МГУ и прилегающих территорий. Важно, что возможности метода устойчивых отражателей для мониторинга здания МГУ в данном исследовании далеко не полностью исчерпаны. Планируется использовать другие орбиты, провести более сложный статистический анализ результатов для получения более устойчивых оценок, как долговременных смещений, так и амплитуд сезонных компонент, а также приобрести в Европейском космическом агентстве снимки спутника ERS-2 на период после 2003 г. Это позволит удлинить временные ряды и сделать более определенные выводы о динамике исследуемых объектов.

Заключение

Предложенный в работе метод совместной инверсии данных спутниковой РСА-интерферометрии и наземных данных (геодезия, сейсмология, сейсмотектоника) позволяет уточнить положение поверхности сейсмического разрыва и определить распределение на ней вектора смещений.

Проведена апробация предложенного метода на примере Алтайского землетрясения 23.09.2003 г. Построенная в работе модель данного землетрясения хорошо согласуется со всем комплексом имеющихся натурных данных, включая результаты полевых наблюдений и региональную геодинамику. В частности, достигнуто хорошее согласие с данными повторных геодезических наблюдений и оценками магнитуды сейсмического события.

Комплексная инверсия данных интерферометрии и геодезии позволяет существенно повысить точность и устойчивость решения обратной задачи. Построение детальной модели плоскости разрыва и реконструкция движений на ней важно для оценки изменений региональных полей напряжений в результате землетрясений и, в конечном счете, для прогноза областей будущих сейсмических событий.

Проанализированы преимущества и возможности метода устойчивых отражателей для мониторинга городских территорий и отдельных зданий. Метод был применен для исследования динамики высотного здания МГУ и прилегающих территорий. Для отдельных устойчиво отражающих площадок ГЗ МГУ оценены коэффициенты линейной регрессии и их уровень значимости.

Выявлена разнонаправленная долговременная динамика отдельных частей здания. Для получения более достоверных результатов рекомендуется продолжить мониторинг высотного здания МГУ, в частности включить в расчеты данные РСА последних лет. Это позволит более детально исследовать поведение длиннопериодной компоненты движений всего здания и отдельных его блоков. Для восстановления полного вектора смещений необходимо провести совместный анализ данных по различным трекам и различным спутникам, привлечь результаты повторного спутникового позиционирования (GPS, GLONASS) и наземных методов.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Назарян, Айк Назаретович, Москва

1. Бакут, П. А. Теория когерентности изображений / П. А. Бакут, В. И. Мандросов, И. Н. Матвеев. — М.: Радио и связь, 1987. — 243 с.

2. Башаринов, А. Е. Радиоизлучение Земли как планеты / А. Е. Башаринов,

3. A. С. Гурвич, С. Т. Егоров. -М.: Наука, 1974. — 188 с.

4. Голуб, Дж. Матричные вычисления / Дж. Голуб, Ч. Ван Лоун. Под ред.

5. B. В. Воеводина; Пер. с англ. Ю. М. Нечепуренко и др. — М.: Мир, 1999. — 548 с.

6. Гольдин, С. В. Поля смещений земной поверхности в зоне Чуйского землетрясения, Горный Алтай / С. В. Гольдин, В. Ю. Тимофеев, Д. Г. Ардюков // Доклады академии наук. — 2005. — Т. 405, №6. — С. 804-809.

7. Девяткин, Е. В. Структуры и формационные комплексы этапа кайнозойской активизации / Е. В. Девяткин. В кн.: «Тектоника Монгольской Народной Республики». — М.: Наука, 1974. — С. 182-196.

8. Динамика и палеостресс при образовании Чуйско-Курайской депрессии Горного Алтая: тектонический и климатический контроль / Д. Дельво, К. Тениссен, Р. Ван дер Меер, Н. А. Берзин // Геология и геофизика. — 1995. -№ 10.-С. 31-51.

9. Дудник, П. И. Авиационные радиолокационные устройства / П. И. Дудпик, Ю. И. Чересов. Под ред. Дудника П. И. — М.: ВВИА им. проф. П. Е. Жуковского, 1986. — 534 с.

10. Дулевич, В. Е. Теоретические основы радиолокации / В. Е. Дулевич. — М.: Сов. радио, 1978. — 607 с.

11. Козлов, А. И. Радиолокация. Физические основы и проблемы / А. И. Козлов // Соросовский образовательный журнал. — 1996. — № 5. — С. 70-78

12. Кондратенков, Г. С. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Г. С. Кондратенков, А. Ю. Фролов. Под ред. Г. С. Кондратенкова. М.: «Радиотехника», 2005. - 368 с.

13. Ксендзук, А. В. Решение задачи развертки фазы и устранения неоднозначности определения высоты в двухчастотном интерферометре с синтезированной апертурой / А. В. Ксендзук // Журнал радиоэлектроники. — 2002. — № 9.

14. Мишев, Д. Дистанционные зондирования Земли из космоса / Д. Мишев. — М.: Мир, 1985.-229 с.

15. Патюков, В. Г. Повышение эффективности оценок частотно-временных параметров сигналов частотных датчиков / В. Г. Патюков, Е. В. Патюков, В. В. Леглер // Датчики и системы. — 2008. — № 7. — С. 3-6.

16. Пирс, Дж. Р. Почти все о волнах / Дж. Р. Пирс. — М.: Изд-во «Мир», 1976.-176 с.

17. Поля и модели смещений земной поверхности Горного Алтая / В. Ю. Тимофеев, Д. Г. Ардюков, Э. Кале, А. Д. Дучков, Е. А. Запреева, С. А. Казанцев, Ф. Русбек, К. Брюникс // Геология и геофизика. — 2006. — Т. 47, № 8 С. 923-937.

18. Радиолокационные станции бокового обзора / А. П. Реутов, Б. А. Михайлов, Г. С. Кондратенков, Б. В. Бойко. Под ред. А. П. Реутова. — М.: Сов. радио, 1970.-360 с.

19. Радиолокационные станции обзора Земли / Г. С. Когдратенков, В. А. Потехин, А. П. Реутов, Ю. А. Феоктистов. Под ред. Г. С. Кондратенкова. — М.: Радио и связь, 1983. — 272 с.

20. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / Антипов В. Н., Горяинов В. Т., Кулин А. Н., Мансуров В. В. и др. Под ред. В. Т. Горяинова. М.: Радио и связь, 1988. - 304 с.

21. Рис, У. Г. Основы дистанционного зондирования / У. Г. Рис. — М.: Техносфера, 2006. — 336 с.

22. Сайт Геологической службы США: http://earthquake.usgs.gov/regional/neic/

23. Сайт компании «Nigel Press Associates»: http://www.npagroup.com

24. Сайт проекта «Terrafirma»: http://www.terrafirma.eu.com

25. Anticline Growing Beneath the Urban Area of Catania (Italy) Measured by SAR Interferometry / P. Berardino, A. Borgia, G. Fornaro, R. Lanari, E. Sansosti, M. Tesauro // Proceedings of IGARSS'OO, Hawaii, USA. — 2000, pp. 2218-2220.

26. Areal Changes and Motion of Northern Larsen Ice Shelf, Antarctic Peninsula / W. Rack, H. Rott, T. Nagler, A. Skvarca // Proceedings of IGARSS'98, Seattle, USA, 1998.-pp. 2243-2245.

27. Bamler, R. Phase Statistics and Decorrelation in SAR Interferometry / R. Bamler, D. Just// Proceedings ofIGARSS'93, Japan. 1993. - pp. 980-984.

28. Bamler, R. SAR data acquisition and image formation. In: SAR geocoding: data and systems / R. Bamler, B. Schattler / Kalsruhe: Wichmann Verlag. — 1993, chap. 3. — pp. 53-102.

29. Campbell, J. B. Introduction to Remote Sensing / J. B. Campbell. — 3rd edition, Guilford Publications, Inc., 2002. — 621 p.

30. Carnec, C. Three Years of Mining Subsidence Monitored by SAR Interferometry, near Gardanne, France / C. Carnec, C. Delacourt // Second International Workshop on ERS SAR Interferometry Fringe 99, Advancing ERS

31. SAR Interferon! etry from Applications Towards Operations. — ESA Publications Division, Liege, Belgium, 1999. — CD-ROM.

32. Chen, C. W. Two-dimensional phase unwrapping with use of statistical models for cost functions in nonlinear optimization / C. W. Chen, H. A. Zebker // Journal of the Optical Society of America. —2001, N 18. —pp. 338-351.

33. Cohen, D. A. Feasibility Study of Differential SAR Interferometry for Subsidence Monitoring in the Sacramento-San Joaquin Delta / D. A. Cohen, S. J. Deverel, L. A. Johnson // Proceedings of IGARSS'98, Seattle, USA. — 1998.-pp. 1629-1631.

34. Curlander, J. C. Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing / J. C. Curlander, R. N. McDonough. Edited by J.A. Kong. — John Wiley, New York, 1991. -647. p

35. Curran, P. J. Principles of Remote Sensing / P. J. Curran. — John Wiley & Sons, Inc., Hong Kong, 1985. — 282 p.

36. Dammert, P. B. G. Sea Ice Displacement Measurement by ERS-1 SAR Interferometry / P. B. G. Dammert, M. Lepparanta, J. Askne // Proceedings of the Third ERS Symposium, Florence, 1997.

37. Dzurisin, D. A Comprehensive Approach to Monitoring Volcano Deformation as a Window on the Eruption Cycle / D. A. Dzurisin // Review of Geophysics. — 2003.-Vol. 41, N l.-pp. 1.1-1.15.

38. Ferretti, A. Multibaseline InSAR DEM reconstruction: The wavelet approach / A. Ferretti, C. Prati, F. Rocca // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. — 1999. —Vol. 37, N 2. pp. 705-715.

39. Ferretti, A. Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in differential SAR interferometry / A. Ferretti, C. Prati, F. Rocca // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. — 2000. — Vol. 38, N 5. — pp. 2202-2212.

40. Ferretti, A. Permanent scatterers in SAR interferometry / A. Ferretti, C. Prati, F. Rocca // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. — 2001. — Vol. 39, N 1.-pp. 8-20.

41. Ferretti, A. Validation of the Permanent Scatterers technique in urbun areas / A. Ferretti, C. Prati, F. Rocca // ESA publications. — 2002. — Режим доступа: http://earth.esrin.esa.it/pub/ESADOC/gothenburg/143prati.pdf

42. Gabriel, A. K. Mapping small elevation changes over large areas: differential radar interferometry / A. K. Gabriel, R. M. Goldstein, H. A. Zebker // Journal of Geophys. Res. 1989. - Vol. 94, N 7. - pp. 9183-9191.

43. Ghiglia, D. C. Two-Dimensional Phase Unwrapping, Theory, Algorithms, and Software / D. C. Ghiglia, M. D. Pritt. Wiley & Sons, Inc., New York, USA, 1998.-493 p.

44. Glacier Flow Measurements with ERS Tandem Mission Data / I. Cumming, J-L. Valero, P. Vachon, K. Mattar, D. Geudtner, L. Gray // Proceedings of the 'Fringe 96' Workshop on ERS SAR Interferometry, Zurich, Switzerland. — 1996. —Vol. 1.-pp. 353-362.

45. Goldstein, R. M. Satellite Radar Interferometry: Two-dimensional Phase Unwrapping / R. M. Goldstein, H. A. Zebker, C. L. Werner // Radio Sci. — 1988, —Vol. 23, N4.-pp. 713-720/

46. Golub, G. H. Calculating the singular values and pseudoinverse of a matrix / G. H. Golub, W. Kahan // SIAM J. Numer. Anal. 1965. - v. 2. - pp. 205-224.

47. Guarnieri, A. M. Combination of Low- and High-Resolution SAR Images for Differential Interferogram / A. M. Guarnieri, F. Rocca // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. — 1999. — Vol. 37, N. 4. — pp. 2035-2049.

48. Hall, D. K. Remote Sensing of Snow and Ice Using Image Radar / D. K. Hall. In: Principles and Applications of Imaging Radar: Manual of Remote Sensing. — 3 ed., Vol. 2. John Wiley & Sons, Inc., New York, USA, 1998. - pp. 677-703

49. Hanssen, R. F. Atmospheric heterogeneities in ERS tandem SAR interferometry / R. F. Hanssen. — DEOS Report N 98.1, Delft University Press, Delft, the Netherlands, 1998.

50. Hanssen, R. F. Radar Interferometry: Data Interpretation and Error Analysis / R. F. Hanssen. — Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 2001. — 308 p.

51. Harger, R. O. Synthetic Aperture Radar Systems: Theory and Design / R. O. Hager. — New York: Academic Press, 1970. — 268 p.

52. Heliwich, O. SAR interferometry: Principles, processing, and perspectives / Olaf Hallwich. — In С Heipke and H Mayer, editors, Festschrift fur Prof. Dr.-Ing. Heinrich Ebner zum 60. Geburtstag. Technische Universitat Miinchen, 1999.-pp. 109-120.

53. Henderson, F. M. Principles and Applications of Imaging Radar / F. M. Henderson, A. J. Levis. — In Manual of Remote Sensing, 3 ed., Vol. 2, John Wiley & Sons, Inc., New York, USA, 1998. 750 p.

54. Intensity and Phase Statistics of Multilook Polarimetric and Interferometric SAR Imagery / J. S. Lee, K. W. Hoppel, S. A. Mango, A. R. Miller // IEEE

55. Transactions on Aerospace and Electronic System. 1992. — Vol. 32, N 5. — pp. 1017- 1028.

56. Interferometric techniques and applications / C. Prati, F. Rocca, A. Monti Guarnieri, P. Pasquali // ESA Study Contract Report. 1994. - Contract N 3. -7439/92/HE-I, Ispra, Italy.

57. Kampes В. M. Radar Interferometry: Persistent Scatterer Technique / В. M. Kampes. — Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2006. — 220 p.

58. Lanari, R. Dynamic Deformation of Etna Volcano Observed by Satellite Radar Interferometry / R. Lanari, P. Lundgren, E. Sansosti // Geophysical Research Letters. 1998.-Vol. 25, N 10.-pp. 1541-1544.

59. Land Subsidence of the Northern Kanto Plains Caused by Ground Water Extraction Detected by JERS-1 SAR Interferometry / H. Nakagawa, M. Murakami, S. Fujiwara, M. Tobita // Proceedings of IGARSS'00, Hawaii, USA, 2000.-pp. 2233-2235.

60. Legg, Ch. A. Remote Sensing and Geographic Information Systems: Geological Mapping, Mineral Exploration and Mining / Ch. A. Legg. — John Wiley & Sons, Inc., Chichester, England, 1994. 166 p.

61. Levanon, N. Radar Principles / N. Levanon. — John Wiley and Sons, New York, 1988.

62. Lillesand, Т. M. Remote Sensing and Image Interpretation / N. Lillesand, R. W. Kiefer. — 4 ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, USA, 2000. 724 p.

63. Madsen, S. N. Estimating the Doppler Centroid of SAR Data / S. N. Madsen // IEEE Trans. Aerospace and Elec. Sys., AES-25 (2). — 1989. pp. 134-140.

64. Major Urban Subsidence Mapped by Differential SAR Interferometry / M. Haynes, R. Capes, G. Lawrence, A. Smith, D. Shilston, G. Nicholls // Proceedings of the Third ERS Symposium, Florence, 1997.

65. Mann, D. Deformation Assosicated with the 1997 Eruption of Okmok Volcano, Alaska / D. Mann, J. Freymueller, Z. Lu // Journal of Geophysical Research. — 2002. Vol. 107, N. B4. - pp. 7.1-7.13.

66. Massonnet, D. Deflation of Mount Etna Monitored by Spaceborne Radar Interferometry / D. Massonnet, P. Briole, A. Arnaud // Nature. — 1995. — Vol. 375.-pp. 567-570.

67. Massonnet, D. Radar Interferometry and its Application to Changes in the Earth's Surface / D. Massonnet, K. L. Feigl // Reviews of Geophysics. — 1998. Vol. 36, N 4. -pp. 441-500.

68. Measurement of Slow Uniform Surface Displacement with mm/year Accuracy / T. Strozzi, U. Wegmtiller, Ch. Werner, A. Wiesmann // Proceedings of IGARSS'00, Hawaii, USA, 2000. pp. 2239-2241.

69. Mohr, J. J. Multi-pass Interferometry for Studies of Glacier Dynamics / J. J. Mohr, S. N. Madsen // Proceedings of the 'Fringe 96' Workshop on ERS SAR Interferometry, Zurich, Switzerland. — 1996. — Vol. 1. — pp. 345-352.

70. Munoz, J. Physical analysis of atmospheric delay signal observed in stacked radar interferometric data / J. Munoz, R. Hanssen, M. Kampes // Proceedings of the international Geoscience and Remote Sensing Symposium, Toulouse, France, 2003.—pp. 1-4.

71. Neutral atmospheric delay measured by GPS and SAR / R. Emardson, F. Crampe, G. F. Peltzer, F. H. Webb // Eos Trans. AGU Spring Meeting. — 1999. -80(17).

72. Okada, Y. Surface deformation due to shear and tensile faults in a half-space / Y. Okada // BSSA. 1985. -N 75, pp. 1135-1154.

73. Olmsted, C. Alaska SAR Facility, Scientific SAR User's Guide / C. Olmsted. -Fairbanks, Alaska, 1993. 53 p.

74. Paige, С. C. LSQR: An Algorithm for Sparse Linear Equations and Sparse Least Squares / С. C. Paige, M. A. Saunders // ACM Transactions on Mathematical Software. -1982. -N 8. pp. 43-71.

75. Peltzer, G. Surface Displacement of the 17 May 1993 Eureka Valley, California, Earthquake Observed by SAR Interferometry / G. Peltzer, P. Rosen // Science. — 1995. Vol. 268. -pp. 1333-1336.

76. Persistent scatterer interferometry: Precision, reliability and integration /

77. F. Leijen, G. Ketelaar, P. Marinkovic, R. Hanssen. — In ISPRS Workshop, High-Resolution Earth Imaging for Geospatial Information, Hannover, Germany, 17-20 May 2005.

78. Postseismic Rebound in Fault Step-Over Caused by Pore Fluid Flow /

79. G. Peltzer, P. Rosen, F. Rogez, K. Hudnut // Science. — 1996. — Vol. 273. — pp. 1202-1204.

80. Rencz, A. N. Remote Sensing for the Earth Sciences / A. N. Rencz. — In Manual of Remote Sensing, 3rd Edition, Volume 3, John Wiley & Sons, Inc., 1999.-728 p.

81. Rodriguez, E. Theory and design of interferometric synthetic aperture radars / E. Rodriguez, J. M. Martin // Proc. Inst. Elect. Eng. F. 1992. - Vol. 139. -pp. 147-159.

82. Sansosti, E. Dynamic Deformation of Etna Volcano Observed by Satellite Radar Interferometry / E. Sansosti, R. Lanari, P. Lundgren // Proceedings of IGARSS'98, Seattle, USA, 1998.-pp. 1370-1372.

83. Satellite radar interferometry for monitoring ice sheet motion: Application to an Antarctic ice stream / R. M. Goldstein, H. Engelhardt, B. Kamp, R. M. Frolisch // Science. 1993. -N 262. - pp. 1525-1530.

84. Sea Ice Dynamics Observed by ERS-2 SAR Imagery and ARGOS Buoys in S tori. or den, Svalbard / J. Haarpainter, C. Kergomard, J-C. Gascard, P. M. Haugan // Proceedings of IGARSS'00, Hawaii, USA, 2000. pp. 467-469.

85. Sensing the Ups and Downs of Las Vegas: InSAR Reveals Structural Control of Land Subsidence and Aquifer-System Deformation / F. Amelung, D. L.

86. Galloway, J. W. Bell, H. A. Zebker, R. J. Laczniak // Geology. 1999. - Vol. 27, N. 6.-pp. 483-486.

87. Shuttle Imaging Radar Experiment / C. Elachi, W. E. Brown, J. B. Cimino, T. Dixon et al. // Science. 1982. - Vol. 218, N 4576. - pp. 996 - 1003

88. Small Displacement Detected by SAR Interferometry on the City of Paris (France) / B. Fruneau, J-P. Rudant, D. Obert, D. Raymond // Proceedings of IGARSS'99, Hamburg, Germany, 1999. pp. 1943-1945.

89. The development of a scientific permanent scatterer system / N. Adam, В. M. Kampes, M. Eineder, J. Worawattanamateekul, M. Kircher // ISPRS Workshop High Resolution Mapping from Space, Hannover, Germany, 2003. — pp. 1-6.

90. The Displacement Field of the Landers Earthquake Mapped by Radar Interferometry / D. Massonnet, M. Rossi, C. Carmona, F. Adragna, G. Peltzer, K. Feigl, T. Rabaute // Nature. 1993. - N 364. - pp. 138-142.

91. Tokunaga, M. Estimation of Deformation Volume in Mt. May on in Philippine using Differential SAR Interferometry by using ERS Tandem / M. Tokunaga, V. T. Thuy // Proceedings of IGARSS'00, Hawaii, USA, 2000. pp.2242-2244.

92. Ulaby, F. T. Microwave Remote Sensing: Active and Passive (in three volumes) / F. T. Ulaby, R. K. Moore, A. K. Fung. — Artech House, Inc., Norwood, 1981.

93. Usai, S. An analysis of the interferometric characteristics of anthropogenic features / S. Usai // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. — 2000. Vol. 38, N 3. - 1491-1497.

94. Usai, S. Long time scale INSAR by means of high coherence features / S. Usai, R. Hanssen // Third ERS Symposium—Space at the Service of our Environment, Florence, Italy, 17-21 March, 1997. pp. 225-228.

95. Usai, S. SAR interferometry on very long time scale: A study of the interferometric characteristics of man-made features / S. Usai, R. Klees // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. — 1999. — Vol. 37, N 4. — pp. 2118-2123.

96. Usai, S. The use of man-made features for long time scale InSAR / S. Usai // International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Singapore, 3-8 August, 1997.-pp. 1542-1544.

97. Using InSAR for seismotectonic observations over the Mw 6.3 Parkfield earthquake (28/09/2004), California / M. Michele, D. Raucoules, J. Salichon, A. Lemoine, H. Aochi // The International Archives of the Photogrammetry,

98. Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Beijing. — 2008. — Vol. 37, Part B4.

99. Vadon, H. Earthquake Displacement Fields Mapped by Very Precise Correlation. Complementarily with Radar Interferometry / H. Vadon, D. Massonnet //Proceedings of IGARSS'00, Hawaii, USA, 2000. pp. 2700-2702

100. Van der Kooij, M. W. A. Coherent target analysis / M. W. A. Van der Kooij // Third International Workshop on ERS SAR Interferometry 'FRINGE03', Frascati, Italy, 1-5 December, 2003.

101. Van der Kooij, M. W. A. Permanent Scatterer Approach to Surface Change Detection using SAR Interferometry over the Eagle Oilfields / M. W. A. Van der Kooij // Geoide 2000, Calgary - 25-26 May 2000.

102. Wegmuller, U. Land Subsidence in the Po River Valley, Italy / U. Wegmtiller, T. Strozzi, Ch. Werner//Proceedings ofIGARSS'98, Seattle, USA, 1998. pp. 1376-1378.

103. Wegmuller, U. Validation of ERS Differential SAR Interferometry for Land Subsidence Mapping: the Bologna Case Study / U. Wegmuller, T. Strozzi, Ch. Werner // Proceedings of IGARSS'99, Hamburg, Germany, 1999. — pp. 11311133.

104. Widespread Uplift and 'trapdoor' Faulting on Galapagos Volcanoes Observed with Radar Interferometry / F. Amelung, S. Jonsson, H. Zebker, P. Segall // Nature. — 2000. Vol. 407, Issue 6807. - pp. 993-996.

105. Yonezawa, Ch. Land Subsidence Detection Using Long Interval ERS-SAR Data Pairs / Ch. Yonezawa, S. Takeuchi // Proceedings of IGARSS'00, Hawaii, USA, July, 2000.-pp. 1539-1541.

106. Zebker, H. A. Decorrelation in interferometric radar echoes / H. A. Zebker, J. Villasenor // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. 1992. - Vol. 30. -pp. 950-959.

107. Zebker, H. A. Topographic Mapping from Interferometric Synthetic Aperture Radar Observations / H. A. Zebker, R. M. Goldstein // Journal of Geophysical Research. 1986. - Vol. 91, N. B5. - pp. 4993-4999.

108. Zeng, Q. Observing the Ground Surface Deformation Before and After Taiwan Chichi Earthquake by JERS-1 and ERS-2 Differential SAR Analysis / Q. Zeng, H. Ohkura // Proceedings of IGARSS'00, Hawaii, USA, 2000. pp. 2251-2253.