Радарная интерферометрия как дополнение к классическим методам наблюдений за сдвижением земной поверхности

DOI: http://dx.doi.org/10.30686/1609-9192-2020-1-144-147
Д.Ж. Акматов, В.В. Николайчук, А.А. Тихонов, Р.В. Шевчук
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация
Горная Промышленность №1 / 2020 стр.144-147

Читать на русскоя языкеРезюме: Классические методы наблюдений за деформациями земной поверхности на сегодняшний день являются трудозатратными и трудоемкими, а в некоторых случаях небезопасными. В статье рассмотрен метод радарной интерферометрии исследования деформаций земной поверхности, являющийся дополнительным для традиционных методов. Исходной информацией для вычислений в этом методе служат данные дистанционного радиолокационного зондирования земли. Для интерферометрического анализа данных используется два подхода: площадной интерферометрический анализ, позволяющий строить интерферограммы всего участка, и точечный анализ постоянных отражателей, результатом которого является карта истории движений земной поверхности. Несмотря на высокий уровень развития методов дистанционного зондирования земли, метод радарной интерферометрии, позволяющий производить измерения мелких угловых деталей в радиоизлучении с неба, не может быть использован как самостоятельный метод для определения оседаний земной поверхности ввиду относительно малой изученности вопроса о влиянии внешних факторов на точность измерений.

Ключевые слова: радарная интерферометрия, интерферограммы, деформации, сдвижение земной поверхности, методы дистанционного зондирования земли, космические аппараты

Для цитирования: Акматов Д.Ж., Николайчук В.В., Тихонов А.А., Шевчук Р.В. Радарная интерферометрия как дополнение к классическим методам наблюдений за сдвижением земной поверхности. Горная промышленность. 2020;(1):144-147. DOI: 10.30686/1609-9192-2020-1-144-147.


Информация о статье

Поступила в редакцию: 13.01.2020

Поступила после рецензирования: 19.01.2020

Принята к публикации: 03.02.2020


Информация об авторах

Акматов Дастан Женешбекович – аспирант кафедры геологии и маркшейдерского дела (направление: геология, разведка и разработка полезных ископаемых), Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Dastan. Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра..

Николайчук Виктор Вадимович – аспирант кафедры геологии и маркшейдерского дела (направление: геология, разведка и разработка полезных ископаемых), Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра..

Тихонов Алексей Анатольевич – аспирант кафедры геологии и маркшейдерского дела (направление: геология, разведка и разработка полезных ископаемых), Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Tikhonov.alexey95@ mail.ru.

Шевчук Роман Васильевич – аспирант кафедры геологии и маркшейдерского дела (направление: геология, разведка и разработка полезных ископаемых), Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва, Российская Федерация; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра..


Введение

Безопасное освоение недр и охрана месторождений от вредных факторов – главные задачи добывающих предприятий. Это регламентируется федеральным законом, инструкциями по производству маркшейдерских работ, а также требованиями руководящих документов. Предприятие обязано обеспечить эксплуатационную надежность и долговечность объектов, в том числе наблюдение за деформациями на земной поверхности.

Классические методы наблюдения за сдвижениями земной поверхности в настоящее время являются трудозатратными и трудоемкими, кроме того, производство работ осложняется географическим расположением объекта, что ведет к снижению точности выполняемых работ. В настоящее время методы дистанционного зондирования земли являются перспективным направлением, применение которых способно решить вышеуказанные проблемы при выполнении работ.

Метод радарной интерферометрии

В качестве дополнительного метода исследования деформаций земной поверхности к традиционным методам может использоваться радарная интерферометрия, позволяющая производить измерения мелких угловых деталей в радиоизлучении с неба [1; 2].

Исходной информацией для дальнейших вычислений служат данные дистанционного радиолокационного зондирования земли.

Таблица 1 Радарные космические аппараты высокого и среднего разрешения
Table 1 High and medium resolution radar space vehicles

Радарные космические аппараты высокого и среднего разрешения

На сегодняшний день в мире уже запущено достаточно много космических аппаратов (КА) для производства этого вида работ (табл. 1), поэтому данный метод широко распространен и применяется на ряде крупных предприятий. Основные преимущества метода радарной интерферометрии по сравнению с классическими методами:

• регулярная независимая дистанционная оценка смещений по всей площади снимка;

• больший охват исследуемой территории;

• для расчета смещений используется массив спутниковых данных с космических аппаратов, полученных с определенной периодичностью (до нескольких раз в месяц).

Также важным преимуществом является то, что использование данного метода в качестве дополнения к классическим методам позволяет повысить безопасность производства работ, и в местах, где существует риск развития неблагоприятных условий, не закладывать профильные линии, а использовать результаты дистанционного зондирования земли.

Но, несмотря на ряд существенных преимуществ данного метода, одним из условий для чистого интерферометрического анализа, среди прочих, является наличие твердой отражающей поверхности на территории зоны наблюдений за сдвижениями земной поверхности [3].

Большинство поверхностей опасных зон, на которых проводятся измерения, характеризуются естественной растительностью, водными и другими нетвердыми покровами. Такие участки обладают низкой когерентностью между циклами измерений, и, как следствие, значения смещений необъективны. В этом случае на такой территории отыскиваются наиболее подходящие точки, имеющие наивысшую когерентность, по которым производится интерферометрический анализ – такой анализ называется интерферометрический анализ постоянных точечных отражателей [4; 5].

Длины волн при радарной интерферометрии являются самым главным показателем, влияющим на точность полученных величин смещений. Основной интерес представляют микроволновые диапазоны, представленные в табл. 2. Чем короче волны, тем выше точность определения смещений (миллиметровая), но они подвержены влиянию атмосферы.

Таблица 2 Диапазоны радиоволновой области электромагнитного  спектра, в которых выполняется космическая съемка
Table 2 Radio wave bands of the electromagnetic spectrum used to perform the space survey

Таблица 2 Диапазоны радиоволновой области электромагнитного спектра, в которых выполняется космическая съемка Table 2 Radio wave bands of the electromagnetic spectrum used to perform the space survey

Стоит отметить, что когерентность интерферограмм зависит от периодичности съемки, которая должна стремиться к минимальному значению, чтобы можно было установить большее число коррелирующих между собой объектов.

Интерферометрический анализ данных

Для интерферометрического анализа данных используется два подхода, реализованные в зарубежных программных продуктах. Первый и основной подход – это площадной интерферометрический анализ, позволяющий строить интерферограмму всего участка, которая позволяет использовать радиолокационные изображения, в количестве не меньше двух штук, полученные на данном участке исследования. Эта технология использует Радиолокационную синтезированную апертуру (РСА), которая может работать на различных длинах волн, например, на 6 см для C-диапазона канадского спутника RADARSAT-2 или на 3 см для X-диапазона спутников TerraSAR-X и COSMO-SkyMed, где происходит вычитание фаз множества пар сцен, составленных из условия предельного временного интервала и максимальной разницы орбит. Результатом данного подхода является получение среднегодовой дифференциальной интерферограммы после процесса компоновки интерферограмм (рис. 1). Данный метод позволяет получить измерения вертикальных смещений земной поверхности [6; 7].

Рис. 1 Принцип дифференциальной интерферометрии Fig. 1 Principles of differential interferometry

Рис. 1 Принцип дифференциальной интерферометрии
Fig. 1 Principles of differential interferometry

Второй подход – точечный анализ постоянных отражателей, позволяет при имеющейся модели оседаний земной поверхности произвести анализ наиболее когерентных точек местности, повысив тем самым точность и площадь исследований. Результатом анализа является карта истории движений земной поверхности.

Работы по космическому мониторингу смещений деформаций делятся на два этапа. На первом этапе получают исходные радарные данные, а на втором этапе работ производят обработку данных и строят карты смещений и деформаций земной поверхности и сооружений [8; 9].

Заключение

Технология радарного интерферометрического мониторинга показала высокую эффективность на ряде крупных предприятий, однако как самостоятельный метод для определения оседаний земной поверхности его применять нельзя ввиду относительно малой изученности вопроса о влиянии внешних факторов на точность измерений.


Список литературы

1. Гришин А.В., Шевчук С.В. К вопросу организации геомеханического мониторинга при освоении месторождений полезных ископаемых открытым способом на больших глубинах. Маркшейдерский вестник. 2017;(1):51–55.

2. Соломенников М.Ю., Мусихин В.В., Харина Н.М. Оценка точности определения оседаний, полученных методами радарной интерферометрии по спутниковым снимкам ENVISAT и TERRASAR–X на территории промышленного объекта г. Березники. Маркшейдерский вестник. 2017;(2):44–49.

3. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела. Томск: Красное Знамя; 1941.

4. Певзнер М.Е., Иофис М.А., Попов В.Н. Геомеханика. М.: Изд-во МГГУ, 2005.

5. Thompson A.R., Moran J., Swenson Jr.G.W. Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy. Springer International Publishing; 2017. DOI: 10.1007/978-3-319-44431-4

6. Altiner Y. Analytical Surface Deformation Theory: For Detection of the Earth’s Crust Movements. Springer Verlag Berlin Heidelberg; 1999. DOI: 10.1007/978-3-662-03935-9.

7. Кантемиров Ю.И. Краткие теоретические основы радарной интерферометрии и ее многопроходных вариаций Ps и SBas. Геоматика. 2012;(1):22–26. Режим доступа: http://geomatica.ru/clauses/244/

8. FRINGE workshop to focus on satellite interferometry. Available at: https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/FRINGE_workshop_to_focus_on_satellite_interferometry

9. Gosselin C. Obtaining millimetre precision using satellite sensors: science or fiction? Available at: https://effigis.com/en/obtainingmillimetreprecision-using-satellite-sensors-science-or-fiction/.