Космический радарный мониторинг деформаций стенок угольного разреза Уртуйский

0

А.Л. Охотин, В. Хан, Ю.И. Кантемиров

Исходные данные радарных съемок на район работ

Угольный разрез Уртуйский, расположенный к северо-западу от г. Краснокаменск, был отснят 15 раз с радарных спутников группировки COSMO-SkyMed (e-GEOS, Италия) в режиме HImage (разрешение 3 м, площадь сцены 40х40 км). Съемки были сделаны бесплатно и предоставлены компанией e-GEOS в качестве исходных данных для участия в Международном конкурсе на лучший тематический проект по обработке и использованию радарных данных. Схема покрытия территории Уртуйского разреза данными COSMO-SkyMed приведена на рис. 1. Съемки были проведены в  сентябре–ноябре 2011 г.

Рис. 1. Схема покрытия территории угольного разреза Уртуйский (черный контур) данными радарных съемок COSMO-SkyMed (красные контуры)
Рис. 1. Схема покрытия территории угольного разреза Уртуйский (черный контур) данными радарных съемок COSMO-SkyMed (красные контуры)

Цель проекта

Основной целью выполнения проекта было установить — возможно ли по данным многопроходных радарных съемок осуществлять мониторинг деформаций стенок карьера с достаточно высокой точностью.

Выполненные работы

Данные 15-проходной радарной съемки Уртуйского угольного разреза были интерферометрически обработаны по методике «Small Baselines Interferometry (SBas)» в программном комплексе SARscape (Exelis VIS, США) с применением трехмерной развертки фазы. Всего было обработано 105 пар снимков, показанных на диаграмме «время – базовая линия» на рис. 2.

Для каждой из пар в автоматизированном режиме были построены интерферограммы, дифференциальные интерферограммы, выполнены фильтрация интерферометрической фазы, расчет когерентности и развертка фазы (в том числе, для ряда пар – трехмерная развертка в координатах «азимут – наклонная дальность – время»).

На выходе были рассчитаны смещения земной поверхности на каждую дату съемки, результирующая карта смещений и файл точек – постоянных рассеивателей радиолокационного сигнала.

Рис. 2. 105 интерферометрических пар радарных снимков карьера Уртуйский, обработанных в рамках проекта
Рис. 2. 105 интерферометрических пар радарных снимков карьера Уртуйский, обработанных в рамках проекта

Оптический снимок и пространственно соответствующая ему карта смещений приведены на рис. 3 и 4. Основной выявленный очаг оседаний находится в юго-западной части карьера (хорошо заметное желто-красное пятно на рис. 4). Основной очаг оседаний крупным планом и графики смещений для нескольких типовых точек в пределах этого очага показаны на рис. 5. Кроме того, на рис. 4 заметны еще несколько локальных участков оседаний в разных частях карьера, и один участок поднятий.

В целом по результатам выполненных в рамках проекта работ установлено наличие деформаций стенок карьера с максимальной интенсивностью до 6 см за два месяца. Результаты в настоящее время сверяются с данными наземных наблюдений на карьере.

Побочным результатом обработки радарных данных по методу SBas является цифровая модель местности, рассчитанная с шагом матрицы 10 м. ЦММ показана на рис. 6, сравнение ее уровня детализации с опорной ЦММ SRTM приведено на рис. 7. Данное сравнение показывает, во-первых, развитие карьера за период между 2000 и 2011 гг. и, во-вторых, разницу в детальности между этими двумя ЦММ за счет более высокого разрешения снимков COSMO-SkyMed по сравнению с радарами миссии SRTM.

Рис. 3. Оптический снимок карьера Уйтурский
Рис. 3. Оптический снимок карьера Уйтурский
Рис. 4. Карта смещений и деформаций земной поверхности в районе карьера Уйтурский. Цветовая шкала смещений – в левом верхнем углу
Рис. 4. Карта смещений и деформаций земной поверхности в районе карьера Уйтурский. Цветовая шкала смещений – в левом верхнем углу
Рис. 5. Основной очаг оседаний с рисунка 4 крупным планом и графики смещений для нескольких точек
Рис. 5. Основной очаг оседаний с рисунка 4 крупным планом и графики смещений для нескольких точек
Рис. 6. Трехмерное отображение рассчитанной по данным COSMO-SkyMed ЦММ на территорию карьера Уртуйский и прилегающих территорий
Рис. 6. Трехмерное отображение рассчитанной по данным COSMO-SkyMed ЦММ на территорию карьера Уртуйский и прилегающих территорий
Рис. 7. Сравнение ЦММ SRTM (слева), построенной по данным радарных съемок 2000 года, с ЦММ, построенной по данным радарных съемок COSMO-SkyMed 2011 года (справа)
Рис. 7. Сравнение ЦММ SRTM (слева), построенной по данным радарных съемок 2000 года, с ЦММ, построенной по данным радарных съемок COSMO-SkyMed 2011 года (справа)

Выводы и анализ полученных результатов

Интерферометрическая обработка была выполнена средствами модуля SARscape Interferogramm Stacking по технологии SBas;

  • Когерентность фаз при выполнении 15 съемок за два месяца со спутников COSMO-SkyMed в Х-диапазоне длин волн в условиях угольного карьера оказалась более чем достаточна для анализа смещений и для построения ЦММ;
  • Построенная ЦММ с шагом матрицы 10 м в 9 раз превосходит по детальности ЦММ SRTM, а также показывает динамику развития карьера в 2000 г. по 2011 г.;
  • По результатам дифференциальной интерферометрической обработки закартированы смещения и деформации стенок карьера за период радарных съемок COSMO-SkyMed (сентябрь–ноябрь 2011 г.). В частности, выявлены несколько очагов оседаний, один очаг поднятий земной поверхности в разных частях карьера;
  • Наиболее крупный по площади и по амплитуде зарегистрированных оседаний участок находится в юго-западной части карьера. Там деформации достигают 6 см за период в два месяца.
  • Полученные результаты показали, что при частоте порядка 6–8 съемок в месяц даже на незастроенной территории удается поддерживать когерентность фаз радарных съемок за разные даты на необходимом для выполнения обработке уровне, что делает данную технологию применимой для выполнения реальных работ.