Содержание к диссертации
Введение
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 A.Hooper 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-1, ERS-2 33
1.4.2 Спутник ENVISAT 34
1.4.3 Спутник TerraSAR-X 38
1.4.4 Спутник RADARSAT-1 39
1.4.5 Спутник RADARSAT-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 ee 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 1
- Математическое обеспечение, применяемое для обработки данных спутниковой интерферометрии
- Применение данных РСА интерферометрии
- Применение методики выбора «области отсчета» для анализа малых смещений оползневого склона в районе пос. Кепша.
- Определение вектора смещений земной поверхности по его проекции на направление на спутник в областях разработки нефтяных и газовых месторождений
Введение к работе
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 InSAR). 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:
-
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.
-
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.
-
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.
-
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
-
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.
-
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.
-
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
-
Разработанный новый метод выбора «области отсчета» при обработке данных спутниковой РСА интерферометрии позволяет эффективно подавлять помехи.
-
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.
-
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).
-
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
-
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.
-
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.
-
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.
-
Оценка активности оползневого склона в районе пос. Кепша на новой трассе Адлер - Красная Поляна, скорость и направление смещения оползневых масс.
-
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
-
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.
-
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.
-
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
Математическое обеспечение, применяемое для обработки данных спутниковой интерферометрии
При проведении исследований в рамках РСА-интерферометрии обычно используются следующие программные пакеты:
- Первичная интерферометрическая обработка спутниковых данных и расчет парных интерферограмм проводится с использованием программного пакета ROI_PAC (Repeat Orbit Interferometry Package), созданного в лаборатории реактивного движения при Калифорнийском технологическом институте. Необходимая в процессе обработки цифровая модель рельефа исследуемого района может быть получена по данным радарной топографической съемки, выполненной космическим кораблем Шаттл в рамках миссии SRTM. Орбитальные данные, необходимые для интерферометрической обработки снимков европейских спутников ERS и ENVISAT, могут быть получены из открытой базы Дельфтского технологического университета (DEOS).
- Для расчета парных интерферограмм используется также программный комплекс DORIS, разработанный в институте DEOS – подразделении Дельфтского технологического университета.
- Обработка рассчитанных наборов дифференциальных интерферограмм по методу устойчивых отражателей (PSInSAR) выполняется в программном пакете MATLAB с использованием программных кодов, разработанных в лаборатории Дельфтского технологического университета. В основе этого пакета лежит теория метода «Permanent Scatterer technique», предложенная учеными из Миланского технического университета (POLIMI) A. Ferretti, F. Rocca и C. Prati.
- Модификация метода устойчивых отражателей, предложенная A. Хупером и метод SBAS реализованы в пакете StaMPS. На данный момент доступна стабильная версия STAMPS 3.2.1, которая включает в себя возможность работы двумя методами: PS (Persistent Scatterer, устойчивые отражатели) и SB (Small Baselines, малые базовые линии), а также их объединение COMBINED (комбинированный метод).
В этом разделе мы проведем сравнительный анализ данных различных спутниковых систем, имеющих радары с синтезированной апертурой. Подробно будут рассмотрены спутни Envisat, данные которого использовались в настоящей работе.
Спутниковая система ERS разрабатывалась Европейским Космическим Агентством (ESA) с начала 80-ых годов прошлого века. 17 июля 1991 года на солнечно-синхронную орбиту со средней высотой 785 км и наклонением 98,5 градусов был запущен первый аппарат серии ERS-1. Второй спутник ERS-2, ставший преемником и конструктивным аналогом ERS-1, был выведен на такую же орбиту 21 апреля 1995 года. На первом из спутников установлено 5, на втором - 6 разнообразных инструментов дистанционного зондирования, включая оптические ультрафиолетовые и инфракрасные сканеры, радарный альтиметр и т. д., поэтому эти спутники чаще называют спутниковыми платформами. Однако, учитывая сверхнизкое пространственное разрешение большинства перечисленных приборов, наибольший интерес для широкого круга пользователей представляет радар бокового обзора с синтезированной апертурой (SAR), выполняющий съемку земной поверхности в С-диапазоне длин волн (5,6 см), с вертикальной поляризацией излучения (VV), в диапазоне съемочных углов от 20 до 26 градусов.
Основные технические характеристики спутников ERS-1/2 приведены в таблице 1.1. Номинальное пространственное разрешение 26 х 30 м Ширина полосы съемки: 100 км Скорость передачи данных на наземный сегмент: 105 Мбит/сек Радиометрическое разрешение: 8 бит на пиксель Формат файлов: CEOS
Обработка: Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция. Приведение к картографической проекции Периодичность съемки: Не более 35 суток 1.4.2 Спутник ENVISAT 1 марта 2002 года Европейским Космическим Агентством в целях дальнейшего развития программы исследований земной поверхности, начатой спутниками ERS-1/2, был осуществлен запуск космического аппарата ENVISAT. Была избрана солнечно-синхронная орбита со средней высотой 790 км, наклонением 98.55 и 35-дневным циклом повтора, обеспечивающим глобальное покрытие в промежутке от 1 до 3 дней.
Спутник является многоцелевым, на нем установлено 9 разнообразных инструментов дистанционного зондирования, включая оптические сканеры, ультрафиолетовые и инфракрасные спектрометры, радарный альтиметр и т. д.
Однако, так же как и для спутников ERS 1-2, пространственное разрешение большинства перечисленных приборов низкое, поэтому наиболее востребованными являются данные усовершенствованного радиолокатора бокового обзора с синтезированной апертурой (ASAR). Он выполняет съемку земной поверхности в С-диапазоне длин волн (5,6 см), с изменяемой поляризацией излучения, в диапазоне съемочных углов от 15 до 45. Грамотная стратегия потребления топлива, проводимая Европейским Космическим Агентством (ESA), позволила сэкономить достаточно гидразина (ракетного топлива, потребляемого спутником) для обеспечения работы ENVISAT до конца 2010 г. Дальнейшее функционирование спутника потребовало изменение его орбиты – перехода на так называемую Орбиту продления ENVISAT (ENVISAT extension orbit), которая позволяет: - продлить период функционирования спутника еще на 3 года; - обеспечить непрерывное продолжение большинства миссий спутника. 22 октября 2010 года был произведен перевод спутника на новую орбиту. Орбита была снижена на 17,4 км, и было прекращено поддержание неизменным наклона орбиты, что требовало большого расхода топлива. При этом спутник перешел от 35-дневного к 30-ти дневному циклу повтора.
С 22 октября по 2 ноября 2010 г. не были доступны данные с установленных на спутнике приборов. В этот период производилась настройка оборудования и собиралась информация, необходимая для верификации качества работы приборов. Со 2 ноября приборы перешли в штатный режим работы, и до конца 2010 года были откалиброваны и протестированы.
К сожалению, наибольшие изменения в режиме работы после перехода спутника на новую орбиту претерпел именно радиолокатор бокового обзора с синтезированной апертурой (ASAR), снимки с которого используются для построения интерферограмм.
Сценарий перехода на «Орбиту продления» спутника ENVISAT основывается на новом определении орбиты и другой стратегии ее контроля. Вместо поддержания высоты и наклона орбиты, как было в предыдущем режиме работы спутника, в настоящее время производится лишь поддержание высоты. Вследствие этого наклон орбиты будет постепенно уменьшаться, как показано на рисунке 1.3.
Применение данных РСА интерферометрии
Cвёрнутая фаза дифференциальной интерферограммы после вычета влияния ЦМР состоит из суммы пяти слагаемых: { } (2.1) Здесь - деформационная составляющая, - набег фазы из-за изменения атмосферных условий между двумя моментами съёмки, - составляющая, обусловленная неточностями знания орбит, - составляющая из-за ошибок угла обзора, обычно называемая ошибкой ЦМР, хотя в ней также присутствует неточностью определения положения фазового центра. – фазовый шум - помеха, обусловленная изменением характеристик отражателей, тепловым шумом, ошибками корегистрации.
В программном комплексе StaMPS реализован метод отбора устойчивых отражателей — площадок, обладающих высокой фазовой стабильностью (далее, такие площадки будут также обозначаться PS - от английского Persistent Scatterer), разработанный А. Хупером. Сначала проводится отбор точек с амплитудой больше определённого порога. Этот порог выбирается не слишком высоким, поэтому часть отобранных площадок в дальнейшем не войдет в число устойчивых отражателей.
Необходимо отобрать те устойчиво отражающие площадки, в которых последний член (2.1) настолько мал, что он не маскирует остальной сигнал. Поскольку напрямую вычислить величину шума по свёрнутым интерферограммам невозможно из-за изменения остальных членов, производится оценка всех составляющих кроме шума. После этого производится оценка распределения шума. Далее итерационно по вычисленному распределению шума производится переоценка остальных членов уравнения. В данном методе предполагается, что набег фазы за счёт деформаций, изменения состояния атмосферы и неточного знания орбиты коррелирован в пространстве, а атмосферный вклад еще и не коррелирован во времени. Данные предположения, подтверждающиеся на практике, позволяют использовать адаптивный фильтр по пространству для оценки этих членов.
Фазовый сдвиг, связанный с ошибкой угла обзора, прямо пропорционален величине перпендикулярной базовой линии. Поскольку эта величина известна для каждой пары снимков, можно оценить коэффициент линейной регрессии и устранить вклад данной ошибки. Итерационный процесс достаточно быстро сходится.
После того, как произведена оценка фазового поведения площадок, которые могут считаться устойчивыми отражателями, производится оценка вероятности того, что эти площадки действительно являются PS. Производится статистический отбор тех, которые являются устойчивыми отражателями с заданной допустимой вероятностью ошибки. Те кандидаты, которые являются частичными устойчивыми отражателями (сохраняют своё фазовое поведение лишь на части интерферограмм) отбрасываются. Таким образом, по окончании данного шага формируется окончательный набор устойчивых отражателей.
На последнем этапе производится развёртка фазы с последующим вычислением временных серий деформаций и средних скоростей в местах PS. При этом временные серии всегда содержат остаточные шумы. Для их устранения 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 StaMPS 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. Пусть, например, значительную часть исследуемой области занимает оползневой склон, а остальная часть области стабильна. Вычитание среднего приведет к уменьшению скорости на оползне и перенесет часть смещений с противоположным знаком в стабильные области. В этих случаях более эффективным, как показали наши исследования, 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. При этом, конечно, важно собрать дополнительную информацию о том, не перестраивались ли техногенные объекты за период проведения космической съемки, и не было ли обвалов на выходах скальных пород.
В ряде работ расчет ведется относительно выбранного устойчивого отражателя, расположенного в области, которая априори считается стабильной.
В отличие от работ, в которых стабильная область задается априори, нами 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.
Применение методики выбора «области отсчета» для анализа малых смещений оползневого склона в районе пос. Кепша.
Поскольку азимуты направлений движения площадок с отражателями, определенными как устойчивые по данным с двух треков, оказались достаточно близкими к направлению против градиента рельефа, для интерпретации результатов для отдельных треков в качестве дополнительного условия было принято условие, что проекция вектора средней скорости смещений на горизонтальную плоскость направлена против вектора градиента рельефа. В результате для каждого устойчивого отражателя, найденного посредством обработки данных с одного трека, имеем систему уравнений: de = -k dH/dA;dn = -к дН/дф;к 0 сіир = дН/дЯ сіе+дН/дф сіп (3.6.) dLOS =-Aв-A(p/47r = dupcos0- sin в[ dn cos /3 + de sin /?] В этом случае мы имеем три величины для определения трех компонент полного вектора средней скорости смещений.
Важно отметить, что операция обратного проецирования вектора является неустойчивой и может привести к большим ошибкам, если вектор, на который проводится обратное проецирование, почти перпендикулярен направлению LOS. Действительно, если направление градиента рельефа приближается к направлению LOS +900, то коэффициент, на который надо умножить смещение в направлении LOS, чтобы получить смещение в направлении противоположном градиенту рельефа, стремится к бесконечности. В связи с этим, при выполнении обратного проецирования, нами были введены некоторые ограничения. В частности, отбраковывались точки, у которых коэффициент при обратном проецировании превосходил 50, а также точки с низким коэффициентом корреляции между смещениями как функции от времени и линейным временным трендом. Последнее условие позволяет отбросить точки с высоким уровнем шума.
На рисунках 3.5 и 3.6 представлены средние скорости смещений по данным спутника ENVISAT. На рисунке 3.5 представлен восходящий трек 85, на рисунке 3.6 - нисходящий трек 35. На рисунке 3.5 скорости смещений в ближней окрестности скважин (синие треугольники) составляют от 19 до 34 мм/год, на рисунке 3.6 - от 16 до 28 мм/год.
Предполагается, что азимут вектора смещения совпадает с направлением, антипараллельным градиенту рельефа (черные стрелки) и что смещение происходит по рельефу, т.е. компоненты скорости смещений связаны системой уравнений (3.6). Цифры – средняя скорость смещений в период с 12/08/2004 по 01/02/2009 в мм/год. (рис. 3.5) и средняя скорость смещений в период с 23/10/2003 по 08/07/2010 в мм/год (рис 3.6) Синие треугольники – скважины 5 и 6. Рисунок 3.5 - Средние скорости смещений (красные стрелки, размер пропорционален средней скорости смещения) в пределах исследуемого участка оползневого склона по данным восходящего трека 85 спутника ENVISAT. Рисунок 3.6 - Средние скорости смещений (красные стрелки, размер пропорционален средней скорости смещения) в пределах исследуемого участка оползневого склона по данным нисходящего трека 35 спутника ENVISAT. Расхождения в целом очень невелики. Они могут быть связаны со следующими факторами: - Устойчиво отражающими на разных треках могут быть разные объекты, да и плановое положение устойчивых отражателей, показанных стрелками на рисунках 3.5 и 3.6, совпадает не полностью. Достаточно близки только площадки, показанные на рисунках 3.3 и 3.4. Поэтому расхождения могут быть связаны с изменчивостью скорости движений оползня в соседних точках склона. - Данные усреднены за различные интервалы времени. - Движения происходит не точно в направлении антипараллельном градиенту. Ранее мы нашли, что движения иногда отклоняются от направления градиента, хотя и близки к нему. В целом определенные средние скорости смещений очень близки к оценке, полученной ранее по данным того же спутника (18-25 мм/год). 3.3 Выводы
Предложенный метод определения всех компонент вектора смещения земной поверхности для оползневых участков или ледников, в предположении, что поверхность, по которой смещаются эти объекты, конформна земной поверхности, хорошо работает в исследуемой области.
Для оползневого участка склона получено, что смещения 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 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 4 .Восстановление полного вектора смещений участков земной поверхности и инфраструктуры областей разработки нефти и газа по данным радарной спутниковой интерферометрии.
При проведении мониторинга областей разработки месторождений нефти и газа часто ставится задача оценки смещений земной поверхности, значительные просадки которой могут приводить к деформациям зданий и сооружений инфраструктуры. Кроме того, данные о смещениях содержат важную информацию о том, насколько эффективно удается поддерживать пластовое давление в слоях, откуда идет отбор углеводородов, и в каком направлении происходит фильтрация закачиваемой в пласт жидкости.
Как уже говорилось в Главе 3, для измерения смещений выполняются повторные геодезические измерения, в частности определяются координаты специально оборудованных реперов с применением глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) ГЛОНАСС и/или GPS. Для определения вертикальных смещений необходимы достаточно длительные многократные измерения. Часто проводят повторные нивелировки вдоль профилей, также проходящих по специально установленным реперам. В этом случае определяют вертикальные смещения реперов за время между повторными проходами относительно некоторого репера, который принимается за точку отсчета и считается неподвижным. Оба эти метода достаточно трудоемки, и количество пунктов измерений обычно не превосходит нескольких десятков. В последние годы все чаще проводится анализ данных спутниковых съемок радарами с синтезированной апертурой (спутниковая РСА-интерферометрия или SAR).
Определение вектора смещений земной поверхности по его проекции на направление на спутник в областях разработки нефтяных и газовых месторождений
Нефтяное Ромашкинское месторождение расположено на территории Республики Татарстан в центральной части Восточно-Европейской платформы. Геодинамическая активность в районе в основном связана с карстовыми процессами и с влиянием длительного процесса разработки нефтяных месторождений. В последнее время все большее значение приобретает именно техногенный фактор [100], который проявляется в техногенной сейсмичности, активных деформациях земной поверхности. В связи с этим в 80-е годы прошлого столетия были начаты сейсмологические наблюдения, а с 1991 г. – повторные высокоточные нивелировки. В настоящее время зона наблюдений охватывает весь нефтяной район на юго-востоке Татарстана.
Для оценки смещений были использованы снимки спутника Envisat, сделанные с нисходящего трека 49D в период с апреля 2004 по октябрь 2005. Из одиннадцати имеющихся снимков по критериям когерентности были отобраны восемь (таблица 4.1). К сожалению, мы не располагаем данными повторных геодезических измерений за этот период, в связи с чем далее ограничимся аппроксимацией только смещений по РСА-интерферометрии.
Аппроксимация осуществлялась малыми сферическими объемами по формулам (4.4). При этом объемы под точками, где были найдены устойчиво отражающие площадки, располагались на двух уровнях – 0.4 км и 0.1 км. В работе Гордин, Михайлов, Михайлов [99] было показано, что 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 смещений велся только от объемов нижнего уровня, имитирующего полезный сигнал. Такая конструкция позволяет отфильтровать высокочастотную составляющую, имеющую небольшую по сравнению с полезным сигналом амплитуду —1/10.
Средние скорости смещений устойчиво отражающих площадок за период, покрываемый съемкой, в области размером 0.1х0.1 с центром в г.Альметьевск на Ромашкинском месторождении показаны на рисунке 4.2, а. Расчеты 105 выполнены с применением программного пакета StaMPS , в котором реализован метод Hooper, Segall, Zebker [21].
В поле скоростей смещений, прежде всего, обращает на себя внимание резкая граница между областью движения на спутник и от спутника, проходящая южнее Альметьевска, которая совпадает с границей жилой и промышленной зон города. Поле средних скоростей смещений ULOS (рисунок 4.2, а) было пересчитано в поле вертикальных составляющих скоростей смещений Uz (рисунок 4.2, б). Внешне эти схемы схожи, но при детальном анализе смещений вдоль профилей (рисунок 4.3), проявляются важные различия.
Прежде всего, максимальная амплитуда вектора скорости смещений примерно в 1.5 раза больше его проекции на направление LOS. Во-вторых, на профиле а (рисунок 4.3), идущем с запада на восток, наблюдается региональный перекос в поле смещений на спутник. Из-за наличия аномалий в проекции смещения на спутник, на отдельных участках ход кривых существенно различается. Важно иметь в виду, что там, где вертикальное смещение и смещение на спутник заметно расходятся, значительным оказывается смещение в горизонтальном направлении.
Наиболее четко видны различия в смещениях на спутник и по вертикали на картах (рисунок 4.4), построенных путем интерполяции средних скоростей смещений, приведенных на рис. 4.2. В области, обозначенной на схеме Uz цифрой 1, отчетливо выявляется область интенсивной просадки, окруженная областью поднятия 2. Область поднятия 3 оказывается единой и четко прослеживается через всю карту в направлении на ЮВ. Южнее этой области происходит резкая смен знака движения (цифра 5). Область просадок 5 занимает обширную площадь, но в ее пределах обнаруживаются и небольшие локальные поднятия (в районе цифры 4). Карта вертикальных скоростей смещений заметно более информативна, чем карта скоростей смещений в направлении на спутник ULOS . Многие из перечисленных особенностей трудно проследить по схеме скоростей смещений в направлении на спутник. Средние скорости смещений земной поверхности в районе г. Альметьевск на Ромашкинском месторождении в период с апреля 2004 г. по октябрь 2005 г.: а – средние скорости смещений в направлении на спутник по данным РСА-интерферометрии; б – вертикальные скорости смещений, рассчитанные по ним. Альметьевск расположен в центре снимка в области пересечения географических координатных линий. Стрелками возле горизонтальной и вертикальной осей на рис 4.2. отмечено положение профилей, вдоль которых проводится дальнейший анализ.
В нижнем ряду рисунке 4.4 показаны компоненты скоростей смещений на восток и на север. Скорости смещений на восток достигают 10 мм/год, скорости смещений на север больше – до 14 мм/год. Отметим, что в ряде работ полагают, что поскольку смещения на север сильно подавляются в проекции на LOS, то их можно считать равными нулю. Приведенный пример показывает, что такое предположение может приводить к значительным ошибкам
