Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ исходных данных и методов исследования 13
1.1. Принципы спутниковой радиолокации 13
1.2. Основы метода интерферометрической обработки радиолокационных данных 31
1.2.1. Математическое описание интерферометрической съемки 31
1.2.2. Обоснование точности определения высот и смещений земной поверхности 37
1.2.3. Основные этапы интерферометрической обработки 43
1.3. Возможности и недостатки программного обеспечения, реализующего процесс интерферометрической обработки 51
1.4. Обзор существующего опыта применения метода радиолокационной интерферометрии для мониторинга смещений земной поверхности 55
Глава 2. Методика выбора данных радиолокационной съемки для построения цифровых моделей рельефа и оценки смещений 62
2.1. Метод предварительной обработки и анализа больших объемов радиолокационных данных 62
2.2. Исследование влияния параметров и условий радиолокационной съемки на точность построения цифровых моделей рельефа и оценки смещений применительно к ландшафтам Западной Сибири 81
2.3. Исследование когерентности интерферометрических пар ALOSVPALSAR 88
Глава 3. Метод радиолокационной интерферометрии в условиях высокой временной декорреляции 96
3.1. Подспутниковые эксперименты с искусственными уголковыми отражателями, ориентированными на радиолокационные спутники 96
3.2. Разработка эффективного метода геопривязки радиолокационных снимков 108
3.3. Разработка метода обработки комплексных интерферограмм с низким соотношением сигнал/шум 112
3.3.1. Расчет интерферограмм с использованием некогерентного усреднения комплексной выборки 112
3.3.2. Выравнивание интерферограммы по эллипсоиду 115
3.3.3. Программная реализация-метода фильтрации с сохранением высокочастотных колебаний фазы 118
3.3.4. Развертка фазы и совмещение интерферограмм 123
3.4. Расчет долговременных смещений земной поверхности, связанных с движением блоков земной коры в результате добычи нефти 126
3.5. Верификация-цифровых моделей рельефа и карт смещений, построенных методом радиолокационной интерферометрии 130
Глава 4. Результаты применения разработанных методов для мониторинга смещений земной поверхности'на эксплуатируемых месторождениях 135
4.1. Оценка сезонных относительных подвижек земной поверхности по данным ENVISATXASAR и ALOS\PALSAR 135
4.2. Мониторинг абсолютных смещений земной поверхности на Самотлорском геодинамическом полигоне за 2007-08 гг. 139
4.3. Мониторинг относительных смещений земной поверхности на Губкинском месторождении ЯНАО за 2007-09 гг. по материалам зимней съемки ALOS\PALSAR 152
4.4. Построение цифровых моделей рельефа на основе интерферометрических пар с короткой пространственной базой 160
Заключение 164
Список литературы 166
Приложение
- Основы метода интерферометрической обработки радиолокационных данных
- Исследование влияния параметров и условий радиолокационной съемки на точность построения цифровых моделей рельефа и оценки смещений применительно к ландшафтам Западной Сибири
- Разработка эффективного метода геопривязки радиолокационных снимков
- Мониторинг абсолютных смещений земной поверхности на Самотлорском геодинамическом полигоне за 2007-08 гг.
Введение к работе
Актуальность темы
Эффективным методом, позволяющим получать площадные оценки вертикальных и плановых смещений земной поверхности, является радиолокационная интерферометрия. Преимуществом радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА) является способность получать изображение земной поверхности независимо от условий освещенности и облачности, что особенно актуально для северных широт. Метод спутниковой радиолокационной интерферометрии использует эффект интерференции электромагнитных волн и основан на математической обработке нескольких когерентных амплитудно-фазовых измерений одного и того же участка земной поверхности со сдвигом в пространстве приемной антенны РСА. Известно успешное применение интерферометрии для обнаружения просадок грунтов в районах угольных шахт в Англии, нефтяных полей в Калифорнии, крупных мегаполисах Европы, зонах землетрясений и действующих вулканов.
Разработка запасов нефти и газа на территории Западной Сибири ведется в зоне сплошной или очаговой вечной мерзлоты, торфяных болот, промерзающих полностью зимой мелководных озер, термокарстовых провинциях, районах развития овражной эрозии в результате техногенного нарушения почвенного покрова. Негативные геодинамические процессы вызывают разрывы труб на различных глубинах в скважинах на действующих нефтегазовых месторождениях, наземных внутрипромысловых и магистральных трубопроводах.
Для обеспечения геодинамической безопасности от влияния разработки недр на природную геоэкологическую среду, промышленные и гражданские сооружения, попадающие в площадь горного отвода, проводятся работы по горно-экологическому мониторингу. Для решения таких задач на территории лицензионных участков создаются геодинамические полигоны, состоящие из множества глубинных реперов. На основе анализа и интерпретации результатов комплекса высокоточных геодезических измерений на пунктах геодинамического полигона строятся картосхемы формирующейся мульды оседания. Для наблюдения за динамикой мульды оседания, образующейся в результате извлечения углеводородов, измерения необходимо проводить ежегодно, а для некоторых областей месторождения несколько раз в год. К тому же такой подход позволяет получать величины смещений лишь в точках установки реперов, что зачастую недостаточно для построения площадного покрытия.
Спутниковая радиолокационная интерферометрия является единственным методом дистанционного зондирования, обеспечивающим высокую точность определения высот и смещений за счет использования фазовой компоненты сигнала. Анализ работ в области РСА интерферометрии, проведенных зарубежными и отечественными исследователями, показал неполную разработанность данной проблемы. Исследования в основном относятся к открытым поверхностям с твердым минеральным грунтом, для которых сохраняется высокая когерентность интерферометрических пар с временной базой до 10 лет. Большинство работ по применению площадной дифференциальной интерферометрии посвящено оценке смещений с амплитудой
от 10см до 1м, произошедших по причине крупных землетрясений, оползней или извержений вулканов.
Применение метода интерферометрической обработки радарных изображений на территорию ХМАО выявило сложности в расчете смещений, связанные с географическими и геологическими особенностями региона и характером регистрируемых подвижек. Из-за условий отражения зондирующего сигнала от ландшафтов характерных для данной местности не для всей территории удается получить достаточно информативные интерферограммы. Происходит временная декорреляция отраженных поверхностью сигналов даже при незначительном интервале между повторными съемками одной и той же территории (временная база). Быстрый рост растительных покровов в летний период является основной причиной временной декорреляции, способствующей разрушению интерферограмм. Сезонные изменения уровня торфяных болот оказывают маскирующее влияние и не позволяют точно определить смещения, связанные с долговременными движениями блоков земной коры. Исходя из стохастической модели распределения интерферометрической фазы декорреляция приводит к увеличению погрешности расчета высот рельефа и подвижек земной поверхности.
Метод дифференциальной интерферометрии, на основе которого строятся
карты смещений, требует наличия опорных цифровых моделей рельефа (ЦМР)
отражающей поверхности, что также проблематично в виду географического
расположения территории ХМАО. Широко используемая в
интерферометрической обработке ЦМР SRTM3, построенная по результатам миссии Shuttle Radar Topography Mission (STS-99) в 2000 г., не охватывает северные широты, а имеющийся рельеф Global Торо 30 не обладает требуемой точностью и имеет значительные ошибки в географической привязке. Возникает необходимость построения ЦМР высокого разрешения для использования в качестве опорной поверхности в процессе интерферометрической обработки.
В настоящее время создано множество коммерческих и свободно распространяемых программных пакетов (SARscape, GAMMA, Photomod Radar, ERDAS Imagine, RAT, DORIS, PolSARpro, ROI РАС), реализующих интерферометрическую обработку радиолокационных космоснимков. Пакеты в открытых кодах также содержат описание математических методов, на которых основываются отдельные этапы интерферометрической обработки. Происходит постоянное развитие метода радарной интерферометрии на основе интеграции опыта обработки данных на различные территории Земли и новые приложения, возникающие в связи с совершенствованием приборов спутникового дистанционного зондирования. Однако доступное программное обеспечение не позволяет проводить пакетную обработку больших объемов радиолокационных данных. Кроме того, в них реализовано недостаточное количество алгоритмов выполнения отдельных этапов интерферометрической обработки, отсутствует поддержка форматов данных новых РСА. В частности, отсутствуют эффективные методы обработки интерферограмм при наличии сильного зашумления фазы вследствие высокой временной декорреляции амплитудно-фазовых изображений.
Таким образом, развитие методов обработки данных радиолокационного зондирования Земли для мониторинга смещений в условиях высокой временной
декорреляции характерной для территории нефтегазовых месторождений Западной Сибири является актуальной научно-технической задачей.
Целью диссертационной работы является разработка метода обработки комплексных радиолокационных интерферограмм для оценки смещений земной поверхности в условиях высокой временной декорреляции, вызванной значительными изменениями подстилающей поверхности за время между съемками. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести анализ зависимости временной и пространственной декорреляции интерферограмм от условий съемки и состояния природных ландшафтов для различных типов РСА.
На основе проведенного анализа сформировать критерий отбора снимков, полученных со спутниковых приборов радарного дистанционного зондирования, для получения качественных результатов интерферометрической обработки.
Провести подспутниковые эксперименты по измерению уровня обратного отражения радиолокационного сигнала от искусственных и техногенных уголковых отражателей.
На основе стохастической модели радиолокационной интеферометрии разработать метод обработки областей фазовых компонент с низким соотношением сигнал/шум в целях построения ЦМР и карт смещений.
Разработать метод выделения долговременных просадок, связанных с движениями земной коры на фоне смещений отражающей поверхности, вследствие сезонного изменения уровня торфяных болот.
Разработать методы верификации и оценки точности абсолютных высот и смещений земной поверхности.
При помощи разработанных методов и алгоритмов построить ЦМР и картировать смещения земной поверхности, оказывающие негативное влияние на объекты нефте- и газодобычи.
Научная новизна
Предложен новый метод обработки интерферограмм, основанный на некогерентном усреднении комплексной выборки и позволяющий корректно выполнять развертку фазы для фрагментов, зашумленных вследствие высокой временной декорреляции амплитудно-фазовых изображений.
Впервые предложен метод численной оценки пригодности пары радиолокационных кадров для интерферометрической обработки, основанный на локальной корреляции амплитудных изображений.
Предложен метод привязки радиолокационных космоснимков на основе выделения на амплитудных изображениях эхо-откликов, соответствующих отражениям сигнала от техногенных объектов.
Впервые методом радиолокационной интерферометрии получены численные значения долговременных просадок блоков земной коры на фоне сезонных изменений уровня торфяных болот.
Достоверность
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием методов и подходов, описанных в научной литературе, апробированных и хорошо себя зарекомендовавших при проведении научных исследований. Корректность построенных ЦМР обеспечивается указанием точности расчетных значений. Карты смещений, полученные методом РСА интерферометрии, на качественном уровне согласуются с положением мульды оседания, построенной на основе интерпретации данных высокоточных геодезических измерений, что свидетельствует о практической пригодности предлагаемых методов. Основные положения, выносимые на защиту
Метод предварительного анализа больших объемов радарных космоснимков на основе численного критерия пригодности пары кадров для интерферометрической обработки.
Методика выбора исходных радарных данных, основанная на оценке влияния условий радиолокационной съемки и состояния отражающей поверхности на когерентность разновременных радиолокационных сигналов и позволяющая получать интерферограммы с наибольшим соотношением сигнал/шум.
Метод обработки интерферограмм, использующий некогерентное усреднение соседних пикселов и позволяющий получить фазовую развертку для фрагментов, зашумленных вследствие высокой временной декорреляции.
Результаты применения разработанного метода для мониторинга вертикальных смещений земной поверхности обусловленных извлечением углеводородов на нефтегазовых месторождениях.
Научная апробация результатов
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9 научных и научно-практических конференциях:
III и IV Научно-практическая конференция «Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования» (Ханты-Мансийск 2006, 2008)
IV и VI Всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва 2006, 2008)
I Международная конференция «Космическая съемка - на пике высоких технологий» (Москва, 2007)
XI и XII Региональная конференция по математике «МАК» (Барнаул 2008, 2009)
VI Международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2008)
II Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2009)
На VI Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» автором получена награда за лучший доклад в секции «Спутниковые методы в геологии и геофизике».
Реализация и внедрение результатов работы
Исследования, результаты которых включены в работу, проводились в 2006-2008 гг. в рамках научных и госбюджетных программ:
гранта Европейского космического агентства ESA ENVISAT-AO ID 365 «Environmental pollution monitoring over the oil and gas exploitation regions (northern parts of Russia) using ENVISAT data»;
гранта Европейского космического агентства ESA Category-1 ID 3166 «InSAR application for monitoring of ground displacement in areas of an intensive oil recovery in Western Siberia»;
гранта Японского аэрокосмического агентства 07/JAXA/ASP No. 0704001 «Detection of earth surface displacements in area of intensive oil production by radar interferometry»;
госконтракта ЮНИИ ИТ на НИР 2005-2007 гг. «Развитие систем оперативного мониторинга и предсказания природных и техногенных процессов в Ханты-Мансийском автономном округе - Югре на основе данных дистанционного зондирования Земли из космоса, наземных измерений, геоинформационных систем и имитационного математического моделирования». Номер гос. регистрации НИР 0120.0 508578;
госконтракта ЮНИИ ИТ на НИР 2006 г. «Разработка комплексной технологии поиска и разведки углеводородов в сложно построенных, глубокозалегающих месторождениях» по госконтракту от 10.11.2005 г. № 02.467.11.7008 в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы». Номер гос. регистрации НИР 0120.0 511056;
госконтракта ЮНИИ ИТ на НИР 2008-2010 гг. «Информационно-космические технологии рационального природопользования». Номер гос. регистрации НИР 0120.0 851042.
Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении хоздоговорных НИР, в которых автор являлся исполнителем:
хоздоговорная НИР 70-07-1 «Подготовка демонстрационных материалов, подтверждающих необходимость использования материалов космической съемки для выявления и картографирования зон повышенной экологической нагрузки на территории ЯНАО и ХМАО и просадок почвы над подземными трубопроводами» между ЮНИИ ИТ и ОАО «Промгаз», 2007 г.;
хоздоговорная НИР 247-08/СНГ-0009/08 «Горно-экологический мониторинг на территории горного отвода Самотлорского месторождения нефти с учетом анализа выполненных работ при заложении наблюдательной геодезической сети» между ЗСФ ИНГГ СО РАН и ОАО «Самотлорнефтегаз», 2008 г.;
хоздоговорная НИР 280-08 «Геодинамический мониторинг на Губкинском техногенном полигоне» между ЗСФ ИНГГ СО РАН и ЗАО «Пургаз», 2009 г. Использование результатов исследований и разработок подтверждено актом о
внедрении.
Научно-практическая значимость работы:
Разработанные программные средства на базе предложенного метода позволяют проводить обработку больших архивов радиолокационных кадров с целью определения пригодных для расчетов интерферометрических пар. Сформулированные критерии отбора следует учитывать при выборе РСА снимков для мониторинга смещений на территории Западной Сибири, либо ландшафтов с преобладанием торфяных болот. Использование разработанных методов в работах по горно-экологическому мониторингу нефтегазовых месторождений позволяет сократить объем геодезических измерений, проводимых на геодинамических полигонах. Вклад автора
Разработка и программная реализация метода предварительной обработки архивов РСА данных. Проведение подспутниковых экспериментов с уголковыми отражателями и полевых обследований торфяных болот и объектов нефтедобычи. Обработка данных интерферометрической съемки и построение карт вертикальных смещений в соответствии с предложенными методами. Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 15 работ, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК; результаты исследований отражены в 3 отчетах о НИР. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Работа изложена на 180 страницах, содержит 77 рисунков, 21 таблицу, библиографический список из 83 наименований.
Основы метода интерферометрической обработки радиолокационных данных
Одним из способов обработки данных, полученных при помощи РСА съемки, является радиолокационная интерферометрия. Радиолокаторы зондируют земную поверхность при помощи ультракоротковолнового когерентного излучения, регистрируя в комплексном виде амплитуду и фазу отраженного сигнала. Метод спутниковой радиолокационной интерферометрии использует эффект интерференции электромагнитных волн и основан на математической обработке нескольких когерентных амплитудно-фазовых измерений одного и того же участка земной поверхности со сдвигом в пространстве приемной антенны РСА. Для этого используются два и более изображения, полученные сенсором при повторном пролете КА над одной и той же территорией. Фаза принимаемого сигнала — это когерентная сумма отражений и переотражений от точечных объектов внутри элемента разрешения. Фаза незначительно изменяется в результате преломления сигнала в атмосфере при распространении от поверхности до антенны РСА. Влияние каждой составляющей на результирующую фазу единичного сигнала нельзя предсказать, поэтому на РЛИ эта компонента является случайной. Если два РЛИ представляют съемку одной и той же поверхности, полученную при сходной геометрии обзора, разница фазовых компонент зависит от топографии местности. Метод интерферометрической обработки основан на манипуляции с фазами отраженных сигналов. Известны три способа проведения интерферометрической съемки, в результате которой регистрируется пара РЛИ. Съемка одним КА, с двумя установленными РСА антеннами, одна из которых излучает и принимает зондирующий радиосигнал, а вторая только принимает. Примером такого способа является миссия SRTM (STS-99), в ходе которой космический шаттл Endeavour с двумя РСА антеннами, разнесенными на расстояние 60м, в течение 11 дней снимал поверхность Земли. В результате обработки полученных пар РЛИ построена глобальная ЦМР поверхности суши между 60 северной широты и 56 южной широты [15]. Другой способ — повторная съемка двумя спутниками с одинаковыми параметрами зондирования, двигающимися по одной орбите и снимающими один и тот же участок с интервалом до 24 часов. Примерами являются тандемные миссии ERSandem [16], ERS-2 - ENVISAT, и планируемые CosmoSkyMed 1-4, Tandem-X. Третий способ - так называемая съемка с повторных проходов одним РСА, который зондирует один и тот же участок с определенной периодичностью, зависящей от параметров орбиты КА. Это наиболее используемый способ интерферометрической съемки, т.к. для него может быть использован любой из работающих на орбите радиолокационных спутников.
В результате манипуляции с фазовыми компонентами радиосигналов можно получить возвышение одного элемента разрешения относительно другого, из чего в дальнейшем построить цифровую модель рельефа отражающей поверхности (ЦМР), а также оценить изменения возвышения, произошедшие за время между съемками. Первое применение метода радиолокационной интерферометрии для восстановления рельефа местности описано в 1986 г. в работе Howard Zebker и Robert Goldstein [17]. Метод дифференциальной интерферометрической обработки для оценки смещений земной поверхности разработан позднее в 1989 г. и описан в работе Andy Gabriel и Robert Goldstein [18]. Математический аппарат метода спутниковой радиолокационной интерферометрии подробно описан во многих зарубежных работах [6, 17-23]. Разработано множество алгоритмов выполнения отдельных этапов манипуляции с фазой для решения задач геологии, океанологии, метеорологии и т.д.
Интерферограмма получается путем перемножения двух РЛИ, представленных в комплексном виде: где I - комплексная интерферограмма, , - комплексный сигнал, принятый при первом пролете, S - комплексно-сопряженный сигналу, принятому при повторной съемке, Ах, А2 — амплитуды сигналов, срх, q 2 — фазы сигналов, Ф - результирующая (интерферометрическая) фаза. Фаза интерферограммы состоит из нескольких составляющих [21, 24]: где Ф - фазовый набег за счет обзора топографии под двумя разными углами, Orf , — фазовый набег за счет смещения поверхности за время между съемками, ФаШ - фазовый набег за счет различия длин оптических путей из-за преломления в среде распространения сигнала, Фп — вариации фазы в результате спекл-шума, вызванного неполной компенсацией фазы переотражений в виду переориентации точечных объектов и их перемещения внутри элемента разрешения. Влияние атмосферы на интерферометрическую фазу пренебрежимо мало, поэтому составляющая Фа1т исключается из рассмотрения. Фазовый шум Фп устраняется при помощи фильтрации интерферограммы [21]. Остаточная фаза (р отражает разницу расстояний А/? от антенны РСА до одного и того же участка земной поверхности Р, размер которого соответствует пространственному разрешению РСА, при повторных съемках. Геометрическая интерпретация интерферометрической (р фазы приведена на рисунке 1.11. На рисунке показана съемка поверхности с двух положений РСА в плоскости перпендикулярной направлению движения КА. Расстояние между антенной РСА при повторных пролетах (В) называется пространственной базой. Разность длин оптических путей при повторных съемках возможно аппроксимировать простым выражением
Исследование влияния параметров и условий радиолокационной съемки на точность построения цифровых моделей рельефа и оценки смещений применительно к ландшафтам Западной Сибири
С учетом того, что из всего архива данных ENVISARVASAR (57 кадров) выделено только 9 пригодных пар, необходимо провести комплексное исследование причин низкой когерентности составленных интерферометрических пар.
На рисунке 2.9 показаны карты когерентности интерферометрических пар, построенные в программе DORIS в ходе обработки архива космоснимков. В таблице 2.1 приведены выдержки из списка пригодных пар, полученного при помощи комплекса обработки данных ENVISATAASAR. Разность допплеровских центроидов для всех пар не превышает 9Hz, что свидетельствует о стабильной ориентации антенны РСА ENVISATYASAR в отличие от ERS-2\SAR, поэтому данная колонка опущена. Все записи в таблице 2.1 и карты когерентности на рисунке 2.9 отсортированы по местности для удобства анализа [71].
Анализ карт когерентности удобно проводить с использованием шкалы изображенной в правом нижнем углу каждого рисунка. Оттенки на рисунках равномерно изменяются от черного до белого цвета. Шкала отображает интервал от 0 до 1, что соответствует области допустимых значений когерентности. Правая половина шкалы на каждом рисунке - белая, это означает, что максимальная когерентность каждой пары не превышает 0.5, а среднее значение составляет менее 0.35. Данный факт также подтверждается статистическим анализом числовых значений когерентности. Практически на всех рисунках видно равномерное уменьшение яркости и выделяются обширные темные области. Причиной этого являются ошибки в расчете локальных сдвигов при совмещении исходных радиолокационных кадров. Как описано в пункте 1.2 корегистрация РЛИ осуществляется на основе локальной кросс-корреляции, рассчитываемой на основе множества окон, равномерно распределенных по амплитудному изображению. В ходе совмещения снимков в программе DORIS корректные локальные сдвиги удалось определить только для областей с высокой когерентностью. Для остальной части исходных РЛИ ошибка в расчете сдвигов привела к неправильной корегистрации. Обработка данных интерферометрических пар в программном пакете SARscape с установкой нижнего порога кросс-корреляции значением 0.15 привела к невозможности совмещения некоторых интерферометрических пар (рис. 2.9 а, е, ж, з). Для снимков, чьи карты когерентности изображены на рисунках 2.9 б, в, г, и, эффект затемнения сохранился. Совместный визуальный анализ исходных амплитудных РЛИ и карт когерентности выявил низкий уровень обратного отражения радиосигнала для темных областей на рисунках 2.9 а-и. Следовательно, данный эффект позволяет выделить ландшафты отражающей поверхности, обладающие низкой когерентностью. Анализ показал соответствие темных областей с низкой локальной кросс-корреляцией территориям занятым густым лесом и водными объектами.
Съемка сцен, входивших в архив ENVISATVASAR, проводилась с августа 2003 г. по октябрь 2004 г. Пары снимков, полученных в снежный период (ноябрь, декабрь, январь, февраль, март, апрель), обладают низкой когерентностью (рис. 2.4 б). Это свидетельствует о том, что для длины волны С-диапазона (5.6см) снежный покров оказывает маскирующее влияние и разрушает интерферометрическую фазу при разновременной съемке. Из анализа таблицы 2.1 следует, что высокой когерентностью обладают пары снимков, снятых в поздний весенний, летний и ранний осенний периоды. При этом лучше всего коррелируют снимки, полученные в августе и сентябре (рис. 2.9 д). В данный период замедляется рост растений, следовательно, происходит меньше изменений отражающей поверхности, а также нет маскирующего влияния снежного покрова.
Сильное влияние на когерентность интерферометрических пар снимков ENVISATVASAR оказывает временная декорреляция. Из таблицы 2.1 видно, что максимально возможная временная база составляет 70 суток. Это исключает использование таких данных для оценки долговременных смещений с интервалом более 1 года.
На основе карт когерентности, изображенных на рисунках 2.9 а-и, не удалось оценить влияние пространственной декорреляции, зависящей от длины перпендикулярной компоненты базовой линии. Однако, анализ списков пригодных и непригодных пар, составленных комплексом обработки (пункт 2.1), выявил пороговое значение 700м, при превышении которого происходит разрушение интерферометрической фазы. Следует заметить, что, исходя из теоретических расчетов, критическое значение длины базовой линии для ENVISATVASAR в этом режиме съемки (угол обзора 23, пространственное разрешение 30м) составляет 1256 м.
На рисунке 2.10 показана территория, покрываемая пригодными интерферометрическими парами из архива ENVISATVASAR. На данном рисунке границам зеленого цвета соответствуют карты когерентности а, б, в (рис. 2.9); красному - г, д, е; желтому - ж; фиолетовому - з; синему - и. Из рисунка видно, что большинство пригодных пар относится к северной части ХМАО, тогда как для остальной территории интерферометрическая фаза частично разрушается.
Разработка эффективного метода геопривязки радиолокационных снимков
Установка достаточного количества УО необходимого размера на длительный период в условиях непроходимой местности - трудоемкий и дорогостоящий процесс. Основная проблема заключается в доставке и установке У О на месторождении.
Анализ РСА кадров, полученных со спутников ERS-2, ENVISAT, ALOS, TerraSAR-X, выявил высокий уровень обратного отражения от объектов нефтедобычи. Для добычи нефти на территории лицензионного участка расположено огромное количество кустовых площадок. На каждой кустовой площадке расположены добывающие качалки и другие сопутствующие объекты. Каждый металлический объект, присутствующий на территории кустовой площадки, представляет собой техногенный УО и выделяется яркой точкой на радиолокационном снимке. Стандартная кустовая площадка, состоящая из нефтяных качалок (рис. 3.10), дает следующие уровни превышения отражения над фоном в зависимости от применяемого РСА:
Для геопривязки радиолокационных снимков предлагается метод, основанный на выделении на РЛИ пикселов с высоким значением амплитуды, соответствующих обратному отражению радиосигнала от объектов нефтедобычи. Алгоритм детектирования техногенного УО на радиолокационном снимке хорошо объясняется при помощи рисунка 3.11. Сначала на радиолокационном снимке (рис. 3.11 а) выделяется множество точек, соответствующих отражению радиосигнала от объектов, расположенных на кустовой площадке. При помощи оптического снимка (рис. 3.11 б) определяется расположение кустовых площадок, которым соответствуют выделенные точки. Совместный визуальный анализ радиолокационного и оптического изображений позволяет выделить расположение отдельных объектов на территории кустовой площадки. В ходе подспутниковых экспериментов (рис. 3.11 в) на основе снимков кустовой площадки и осмотра территории определяется соответствие между яркими точками на РЛИ и объектами на местности. Выбирается объект, дающий локализованное отражение в пределах 2-4 пикселов на РЛИ. Географические координаты объекта определяются при помощи GPS-приемника с учетом направления съемки со спутника. На рисунке 3.11 изображен конкретный пример определения географических координат пиксела РЛИ. На радиолокационном кадре ALOSVPALSAR (рис. 3.11а) выделены 4 точки, соответствующие отражениям от объектов на территории кустовой площадки. По оптическому снимку ALOSYAVNIR2 определено расположение кустовой площадки.
В ходе наземных измерений выбрана металлическая конструкция, изображенная на заднем плане (рис. 3.11 в). Радиолокационный снимок получен с восходящего витка ALOSVPALSAR при правом боковом обзоре, поэтому следует определять координаты юго-западного угла объекта. При определении координат сделан определенный отступ, чтобы объект не загораживал сигнал от орбитальной группировки GPS. В ходе обработки экспериментальных данных из всех точек выбирается только одна, которая будет использована в качестве опорной в процедуре геопривязки. Для выбора точки используется радиолокационных кадр, геокодированный в универсальную проекцию Меркатора (UTM) в системе координат WGS84. Геокодирование выполняется на основе орбитальной информации из служебной части радиолокационного кадра. По геокодированному РЛИ для множества пикселов, соответствующих установленным наземным опорным точкам, определяются географические координаты. Таким образом, получены пары точек: географические координаты первой определены на основе орбитальных параметров движения КА, координаты второй измерены на местности. Для каждой пары географических координат представляющих один и тот же объект на местности определяется модуль разности. Набор отклонений сортируется по возрастанию и выбирается среднее значение из получившегося ряда. Точка, соответствующая выбранной паре, используется для геопривязки. Наземная опорная точка задает соответствие между координатами пиксела (азимут -наклонная дальность) и координатами объекта на местности. Данная обработка экспериментальных данных усредняет погрешность, возникающую при определении координат на местности, и позволяет использовать для наземных измерений бытовые GPS приемники с плановой точностью 15м. Таким образом, данный подход повышает точность геопривязки радиолокационных кадров и не требует установки искусственных У О [71].
Мониторинг абсолютных смещений земной поверхности на Самотлорском геодинамическом полигоне за 2007-08 гг.
В соответствии с программой «Комплексная система геодинамической безопасности в зоне деятельности ОАО «Самотлорнефтегаз» ЗАО НЛП «Центром прикладной геодинамики» в 2001-02 гг. выполнены работы по созданию Самотлорского геодинамического полигона (СГДП). С 2002 г. ежегодно в летний период на СГДП проводятся работы по нивелировке, GPS-измерениям, измерения, локального магнитного поля Земли. Западно-Сибирским филиалом института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН (ЗСФ ИНГГ СО РАН) проводятся работы по горно-экологическому мониторингу горного отвода Самотлорского месторождения [82]. В 2008 году выполнен VI цикл комплекса геодезических измерений: нивелировка II класса повышенной точности, гравиметрия, GPS-наблюдения. По результатам сопоставления высот знаков, полученных по результатам нивелирования за 2002, 2003, 2005, 2006, 2007, 2008 гг. построены мульды оседания вертикальных сдвижений пунктов СГДП за периоды 2008-07, 2008-06, 2008-05, 2008-03, 2008-01 гг. На рисунке 4.5 приведена карта-схема вертикальных смещений измеренных на пунктах СГДП за 2007-08 гг. [82]. Величины вертикальных смещений на рисунке 4.5 представлены красными значениями. В связи с отсутствием достаточного количества пунктов наблюдений в северо-западной и северо-восточной части СГДП, необходимых для построения нулевой изогипсы, построения осуществлялись методом интерполяции с учетом ранее обоснованной концепции ее тяготения к контуру нефтегазоносности. Несмотря на значительное количество установленных глубинных реперов (104) СГДП точечные измерения позволяют сделать площадную оценку только посредством интерполяции. Поэтому в 2008 г. проведена интерферометрическая обработка радиолокационных данных с целью построения карты вертикальных смещений Самотлорского месторождения. Практические и теоретические результаты предложенных методов использовались при выполнении совместной хоздоговорной НИР 247-08/СНГ-0009/08 «Горно-экологический мониторинг на территории горного отвода Самотлорского месторождения нефти с учетом анализа выполненных работ при заложении наблюдательной геодезической сети» между ЗСФ ИНГГ СО РАН и ОАО «Самотлорнефтегаз» за 2008 г. В качестве исходных данных использованы 18 радарных снимков ALOS\PALSAR, полученные в рамках гранта от Японского аэрокосмического агентства (JAXA). Выбор сцен для составления интерферометрических пар проводился на основе методики, описанной в главе 2. Съемка проведена в летний и осенний периоды 2007-08 гг. Параметры зондирующего сигнала: длина волны 23см (L-диапазон), режим двойной поляризации (НН, HV), угол обзора поверхности 38, пространственное разрешение 10м. Выбор сцен произведен в соответствие с планом работы спутника, установленным JAXA. В работе использовано программное обеспечение ENVRSARScape, позволяющее проводить полный цикл дифференциальной интерферометрической обработки с возможностью настройки параметров расчета отдельных этапов. Четыре сцены, снятые в июле 2007 г. исключены в виду значительной декорреляции по причине большого обводнения территории ХМАО летом 2007 г. Пара сцен за 2008 г. не использована из-за превышения длины критической базовой линии. Для интерферометрической обработки использованы 12 снимков с комбинацией поляризаций НН (излучение и прием горизонтально поляризованного сигнала), которая дает наибольшее проникновение сквозь растительный покровы. На основе радарных кадров снятых сенсором ALOSYPALSAR летом 2008 г. составлены 3 интерферометрические пары с пространственной базой 3500м и периодом повторного пролета 46 суток. Такие условия съемки позволяют наиболее точно восстановить рельеф земной поверхности, который в дальнейшем используется для расчета смещений. В таблице 4.1 приведены идентификаторы и даты съемки использованных сцен. В качестве наземных опорных точек для указания абсолютных высот и смещений использованы результаты нивелировки на СГДП за 2007-08гг. Из общего количества 85 геодинамических пунктов выбрано 57 на основании критерия: когерентность, соответствующая области в которой установлен репер, должна превышать пороговую величину (0.25), в этом случае интерферометрическая фаза участвует в расчете результирующей модели. В результате интерферометрической обработки построена опорная ЦМР на территорию Самотлорского месторождения (рис. 4.6). Проведенное сравнение ЦМР с изолиниями и отметками высот, оцифрованных с топографических карт масштаба 1:200000 выявило среднее квадратическое отклонение 5.331м. Для построения карты смещений (рис. 4.7) использованы данные повторной радиолокационной съемки с периодом 1 год, идентификаторы и даты сцен приведены в таблице 4.2. Длина базовой линии составляет 1900м, что увеличивает топографическую составляющую интерферометрической фазы. Выделение дифференциальной компоненты произведено с использованием опорной ЦМР, совмещение сделано на основе метода привязки по объектам нефтедобычи, описанного в главе 3.
