ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 4, с. 120-130
УДК 551.217.3+532.5
НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ МОНИТОРИНГА ОПОЛЗНЕВЫХ ПРОЦЕССОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВЫХ РАДАРНЫХ СНИМКОВ С РАЗЛИЧНОЙ ДЛИНОЙ ВОЛНЫ НА ПРИМЕРЕ ДВУХ ОПОЛЗНЕВЫХ СКЛОНОВ В РАЙОНЕ БОЛЬШОГО СОЧИ
© 2014 г. В. О. Михайлов1, Е. А. Киселева1, Е. И. Смольянинова1, П. Н. Дмитриев1, В. И. Голубев1, Ю. С. Исаев2, К. А. Дорохин2, Е. П. Тимошкина1, С. А. Хайретдинов1
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва
E-mail: mikh@ifz.ru 2ОАОНИПИИ "Ленметрогипротранс", г. Санкт-Петербург Поступила в редакцию 19.02.2014 г.
Обсуждаются проблемы обработки и интерпретации данных радарной спутниковой интерферометрии в условиях покрытых растительностью горных склонов на примере двух оползней на Северном Кавказе в районе поселков Кепша и Мамайка в окрестности железнодорожных тоннелей. Оценки полей смещений получены методом устойчивых отражателей радарной спутниковой интерферометрии с использованием программного пакета StaMPS. Пятилетний опыт мониторинга оползневых склонов показал, что в условиях, неблагоприятных для применения радарной спутниковой интерферометрии, существенную роль играет правильный выбор стратегии обработки спутниковых снимков. В работе обсуждается, в частности, выбор размера обрабатываемой области, выбор снимка-мастера, области отсчета, цифровой модели рельефа. Для оползня, расположенного в малонаселенном районе в окрестности поселка Кепша, были использованы данные, полученные с длинноволнового спутника ALOS и с более коротковолнового спутника ENVISAT (восходящий и нисходящий треки). Для оползня в районе пос. Мамайка с большим количеством различных строений, являющихся хорошими отражателями радарного сигнала, были использованы снимки со спутника ENVISAT и с еще более коротковолнового спутника TerraSAR. Величины средних скоростей смещений в направлении линий визирования спутников VLOS для оползня вблизи пос. Кепша не превосходят 10 мм/год, т.е. этот оползень находится в стабильном состоянии как минимум с 2004 года. Оползень в пос. Мамайка существенно более активен. Значения средних скоростей смещений VLOS в активной части этого оползня достигают 60 мм/год. Искусственный уголковый отражатель, установленный на участке, лишенном естественных отражателей радарного сигнала, позволил оценить смещения VIOS в этой части склона величиной 49 мм/год.
DOI: 10.7868/S0002333714040103
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время спутниковая интерферометрия является одним из очень динамично развивающихся направлений исследования Земли из космоса. Снимки спутниковых радаров с синтезированной апертурой (РСА или InSAR от англ. Interferometric Synthetic Aperture Radar) используются для построения цифровых моделей рельефа (ЦМР) и оценки малых смещений земной поверхности и техногенных объектов. Первые оценки смещений дневной поверхности были получены с использованием парных интерферограмм, которые строятся с использованием двух радарных снимков, полученных с локально параллельных орбит (так называемые методы Дифференциальной РСА-интерферометрии, или DInSAR). Парные интерферограммы показывают относительный фазовый сдвиг двух отраженных радарных сигналов, полученных при повторной съемке
одного и того же объекта. Этот набег фазы обусловлен смещением отражающего объекта за время между съемками, но также связан с изменением атмосферных условий, растительного и снежного покрова. Вклад в набег фазы вносят также ошибки определения орбит и ЦМР. Это в значительной мере ограничивает возможности метода дифференциальной интерферометрии, хотя имеется большое количество работ по определению полей смещений в областях землетрясений, разработки месторождений нефти и газа, на ледниках, вулканах методами DInSAR (обзор некоторых результатов можно найти, например, в [Михайлов и др., 2010; 2012]).
В настоящее время разрабатываются различные методы решения этих проблем. Одним из направлений таких работ являются так называемые методы устойчивых отражателей (PS, от англ. Persistent Scatterer — устойчивый отражатель). Ос-
новная идея этих методов, называемых в англоязычной литературе PS-InSAR, состоит в одновременном анализе серии парных интерферограмм, на которых выделяются и в дальнейшем рассматриваются только пиксели, характеризующиеся некоторым "устойчивым поведением" [Ferretti et al., 2001]. Существующие алгоритмы методов устойчивых отражателей отличаются, в частности, математическим определением "устойчивого поведения". Например, в методах, предложенных в работах [Ferretti et al., 2000; Colesanti et al., 2003; Crosetto et al., 2003; Lyons, Sandwell, 2003; Adam et al., 2009], первоначальный набор устойчивых отражателей составлялся из пикселей с высокой амплитудой отраженного сигнала. Во многих подходах используется предположение о характере зависимости смещений PS от времени (линейный, периодический и т.д.). Эти методы эффективно работают в городах и индустриальных районах с большим количеством объектов с высокой и устойчивой во времени амплитудой отраженного радарного сигнала. При этом количество устойчивых отражателей, идентифицируемых в областях, где отсутствуют здания и сооружения, невелико. Тем не менее, имеется целый ряд примеров успешного применения таких алгоритмов на природных объектах, в частности, на оползнях [например, Kimura, Yamaguchi, 2000; Colesanti, Wasowski, 2006; Farina et al., 2006; Farina Casagli, Ferretti, 2007; Meisina et al., 2007; Brugioni et al., 2011].
Для идентификации PS на природных объектах, имеющих существенно более низкую амплитуду отраженного сигнала, был предложен ряд методов, в частности основанных на предположении, что поле смещений природных объектов обладает некоторой коррелированностью по пространству и по времени. Это позволяет выделять деформационный сигнал на фоне высокочастотных помех по пространству (аппаратурные шумы) и по времени (влияние атмосферы, орбитальные ошибки). Среди таких подходов отметим метод, предложенный А. Хупером [Hooper et al., 2004] и реализованный в программном пакете StaMPS (Stanford Method for Persistent Scatterers), и метод SqueeSAR [Feretti et al., 2011].
В данной работе рассмотрены некоторые основные проблемы, возникающие при применении метода устойчивых отражателей к оценке полей смещений природных объектов на примере двух оползневых склонов в районе Большого Сочи (Северный Кавказ). В работе использованы радарные снимки со спутников ALOS, ENVISAT (восходящие и нисходящие орбиты) и TerraSAR-X, выполненные в различные периоды времени. В начале дается общая характеристика районов исследований — оползней в окрестности пос. Кепша и в пос. Мамайка и обзор использованных для их изучения спутниковых данных. Затем кратко рас-
сматриваются использованный метод обработки спутниковых снимков, общая стратегия обработки и некоторые специально разработанные подходы. В конце приводятся результаты расчетов, их интерпретация и обсуждение.
2. ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЙ И СПУТНИКОВЫЕ ДАННЫЕ
Объектами исследования были два оползня в предгорьях Большого Кавказа: первый — около пос. Кепша в окрестности тоннеля вновь построенной трассы Адлер — Красная поляна и второй — на северной окраине г. Сочи в пос. Мамайка над тоннелем железной дороги Туапсе-Сочи. Оползневые тела представлены глинистыми известняками с прослоями глин, которые теряют прочность при насыщении влагой.
Условия для применения РСА-интерферомет-рии для этих двух районов существенно различаются. Мамайский оползень находится в черте застройки г. Сочи, т.е. здесь множество техногенных объектов хорошо отражающих радарный сигнал. Оползень в районе пос. Кепша представляет собой почти полностью покрытый растительностью склон, условия отражения спутникового сигнала здесь существенно хуже. В обоих случаях авторы не располагали данными наземных инструментальных наблюдений, поэтому контроль результатов обработки спутниковых данных можно было проводить только по данным визуальных наблюдений.
Размер оползневого склона в районе пос. Кепша приблизительно 500 х 800 м, верхняя часть более крутая. Перепады высот от 200 до 1200 м. Склон сильно обводнен и практически полностью покрыт разнородной субтропической растительностью. Все это в сумме с малым количеством строений, хорошо отражающих радарный сигнал, затрудняет применение РСА-интерферометрии.
Для изучения смещений оползня у пос. Кепша были использованы РСА-снимки, сделанные со спутника ENVISAT (C-диапазон с длиной волны 5.6 см) за период 08.2004 по 03.2012 и снимки с японского спутника ALOS (L-диапазон, длина волны 23.4 см) за период с 01.2007 по 09.2010 г. Даты съемки и расстояния между точками съемки (так называемые базовые линии) изображены на рис. 1а. Геометрия съемки показана на соответствующих рисунках с результатами расчетов.
Период съемки с восходящей орбиты трека 85А спутника ENVISAT частично перекрывает период съемки c восходящей орбиты трека 588А спутника ALOS. Поскольку спутник ENVISAT в октябре 2010 года был переведен на новую орбиту, совместная обработка всей серии снимков с нисходящей орбиты трека 35D невозможна. Снимки с этого трека были разделены на две се-
04
2000 0
-2000
м
(а)
ALOS, 588A
(01.2007-09.2010)
500 250
0
250 500
ENVISAT, 85A
(08.2004-02.2009)
_1_
0 0 .2
0
5 0 0 .2
0
чо
0 0 .2
0
0 0 .2
0
00
0 0 .2
0
сл
0 0 .2
00
0
0 .2
0
0 .2
0
0 .2
0
(б)
400
300
200
& 100
о а
04 0
100
200
TerraSAR, 54A 24.12.2011—18.11.2012 с 29.11.2012—24.05.2013 'о 1 •
- ^- •
1—
1 •
G— fw.
Wdk —ft— о
^— п —• —*
,1
2
2
т
т
т
0 2
00 .2 .2
00
0 .2
чо
0
0 .2
0
0 2
0 2
000 .2 .2 .2
СЧ ЧО
000
Дата
Рис. 1. Радарные снимки, использованные при исследовании оползневых процессов: (а) в районе пос. Кепша; (б) в районе пос. Мамайка.
рии: до коррекции орбиты (11.2007—07.2010) и после нее (11.2010—03.2012), состоящие из 12 и 13 снимков соответственно.
Своими размерами оползень в районе пос. Мамайка не сильно отличается от оползня в пос. Кепша: размер оползневого склона приблизительно 600 х 800 м, но топография здесь достаточн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.