Метод обработки комплексных радиолокационных интерферограмм в условиях высокой временной декорреляции

Филатов, Антон Валентинович

Автореферат диссертации на тему "Метод обработки комплексных радиолокационных интерферограмм в условиях высокой временной декорреляции"

^ На правах рукописи

9 243

Филатов Антон Валентинович

МЕТОД ОБРАБОТКИ КОМПЛЕКСНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИНТЕРФЕРОГРАММ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ ВРЕМЕННОЙ ДЕКОРРЕЛЯЦИИ

Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Барнаул - 2009

Работа выполнена в Автономном учреждении Ханты-Мансийского автономного округа — Югры «Югорский научно-исследовательский институт информационных технологий»

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент

Евтюшкин Аркадий Викторович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Суторихин Игорь Анатольевич

кандидат физико-математических наук, с.н.с. Захаров Александр Иванович

Ведущая организация: Институт космических исследований РАН

Защита диссертации состоится 12 ноября 2009 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.005.03 в ГОУ ВПО "Алтайский государственный университет" по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.

Автореферат разослан т октября 2009 г.

Д.Д. Рудер

Общая характеристика работы

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 горноэкологическому 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 Topo 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

декоррелядии 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:

1. Провести анализ зависимости временной и пространственной декорреляции интерферограмм от условий съемки и состояния природных ландшафтов для различных типов РСА.

2. На основе проведенного анализа сформировать критерий отбора снимков, полученных со спутниковых приборов радарного дистанционного зондирования, для получения качественных результатов интерферометрической обработки.

3. Провести подспутниковые эксперименты по измерению уровня обратного отражения радиолокационного сигнала от искусственных и техногенных уголковых отражателей.

4. На основе стохастической модели радиолокационной интеферометрии разработать метод обработки областей фазовых компонент с низким соотношением сигнал/шум в целях построения ЦМР и карт смещений.

5. Разработать метод выделения долговременных просадок, связанных с движениями земной коры на фоне смещений отражающей поверхности, вследствие сезонного изменения уровня торфяных болот.

6. Разработать методы верификации и оценки точности абсолютных высот и смещений земной поверхности.

7. При помощи разработанных методов и алгоритмов построить ЦМР и картировать смещения земной поверхности, оказывающие негативное влияние на объекты нефте- и газодобычи.

Научная новизна

1. 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.

2. Впервые предложен метод численной оценки пригодности пары радиолокационных кадров для интерферометрической обработки, основанный на локальной корреляции амплитудных изображений.

3. Предложен метод привязки радиолокационных космоснимков на основе выделения на амплитудных изображениях эхо-откпиков, соответствующих отражениям сигнала от техногенных объектов.

4. 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

1. Метод предварительного анализа больших объемов радарных космоснимков на основе численного критерия пригодности пары кадров для интерферометрической обработки.

2. 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.

3. Метод обработки интерферограмм, использующий некогерентное усреднение соседних пикселов и позволяющий получить фазовую развертку для фрагментов, зашумленных вследствие высокой временной декорреляции.

4. 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:

1. III и IV Научно-практическая конференция «Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования» (Ханты-Мансийск 2006, 2008)

2. IV и VI Всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва 2006, 2008)

3. I Международная конференция «Космическая съемка - на пике высоких технологий» (Москва, 2007)

4. XI и XII Региональная конференция по математике «МАК» (Барнаул 2008, 2009)

5. VI Международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2008)

6. 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 20062008 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.

Краткое содержание работы

Во введении излагаются современное состояние и актуальность темы, формулируется направление исследований. Обозначаются цели, научная новизна и значимость работы. Приводятся основные результаты, представленные к защите, обсуждаются научная и практическая ценность работы, достоверность полученных результатов.

Первая глава диссертации дает общее представление об используемых исходных данных, инструментах и методах исследования.

В начале раздела дается представление о спутниковой радиолокации и геометрии РСА съемки. В настоящее время на орбите работает множество радиолокационных спутников (ERS, ENVISAT, RADARSAT, ALOS, TerraSAR-X, Cosmo-SkyMed), которые различаются по диапазонам длин волн: L (23см), С (5.6см), X (Зсм), поляризации зондирующего излучения и параметрам съемки (пространственное, радиометрическое разрешение, полоса обзора, период повторного пролета). Их характеристики и особенности обработки получаемой с них информации проанализированы и описаны в первом разделе.

Описаны геометрические и физические основы радиолокационной интерферометрии. В обработке участвуют два изображения, полученные сенсором при повторном пролете космического аппарата над одной и той же территорией. Интерферограмма получается путем перемножения двух радиолокационных сигналов, представленных в комплексном виде:

I = 5, ■ 5* = А,ем ■ А2е~м = А,А2 ■ = ЛД • е;ф (1)

где: / - комплексная интерферограмма, 51, - комплексный сигнал, принятый при первой съемке, - комплексно-сопряженный сигналу, принятому при второй съемке, А,, А2 - амплитуды сигналов, (р^, ср2 - фазы сигналов, Ф -результирующая (интерферометрическая) фаза.

Фаза интерферограммы Ф прямо пропорциональна разности длин оптических путей, проходимых радиосигналами при разновременной съемке, и состоит из нескольких составляющих:

Ф = (2)

где Ф - фазовый набег за счет обзора топографии под двумя разными углами, ФЛ/- - фазовый набег за счет смещения поверхности в период между съемками, Фат - 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.

Основу вычислений составляют манипуляции с разностью фаз Ф отраженных сигналов, в результате которых можно получить возвышение одного отражающего элемента поверхности относительно другого, а также смещения, произошедшие за время между съемками. Влияние атмосферы на интерферометрическую фазу пренебрежимо мало, поэтому составляющая Фат исключается из рассмотрения. Фазовый шум Фп устраняется при помощи фильтрации интерферограммы. Остаточная фаза <р отражает высоту поверхности над опорным эллипсоидом Н и смещения произошедшие за время между повторными съемками Вр.

( Г,0 \

(3)

4я"

т =ф +ф, + ф,,=—

Т р ехр Юро с/е/ д

В

В-а)--Я -£>

р К ътв р р

V 1./' /) у

где Ф - ожидаемая фаза, рассчитываемая из модели опорного эллипсоида, Л -длина волны зондирующего сигнала, В - расстояние между антенной при повторных пролетах (длина базовой линии), вар - угол обзора поверхности, начальное значение которого рассчитывается относительно опорного эллипсоида, а - угол наклона базовой линии, £° - перпендикулярная составляющая базовой линии, Л, — расстояние от антенны до точки на поверхности.

Первая компонента формулы 3 представляет собой ожидаемую фазу, рассчитываемую на основе модели опорного эллипсоида и ЦМР низкого разрешения. Рельеф отражающей поверхности отражен во второй компоненте и проявляется тем больше, чем больше значение перпендикулярной базовой линий В[ В случае расчета смещений из фазы интерферограммы выделяется третья

компонента, а рельеф устраняется при помощи ЦМР высокого разрешения.

Некоррелируемый фазовый шум Ф„ вносит значительный погрешности при высот и смещений земной поверхности, а в крайних случаях разрушает фазу интерферограммы. Это происходит в виду значительных изменений условий отражения электромагнитной волны от земной поверхности за период между повторными пролетами (временная декорреляция), а также вследствие съемки с разных положений КА (пространственная декорреляция). Величина когерентности (от 0 до 1) отражает степень разрушения интерферограммы, вычисляется как корреляция двух сигналов в комплексном виде и является мерой пригодности пары снимков для дальнейшей обработки.

_

у-.

(4)

где у - комплексная когерентность, — комплексные значения отраженных

сигналов при первом и втором пролете соответственно.

Рассмотрены этапы интерферометрической обработки в соответствие со схемой, приведенной на рисунке 1, а также применяемые алгоритмы.

/^синтезированная фаза

ЦМР низкого разрешения

Модель эллипсоида

Синтез фазы на основе параметров радарной съемки

Наземные контрольные точки

Первый снимок Второй снимок

(master) (slave)

] Совмещение снимков |

Фильтрация снимков

X

Х

Расчет интерферограммы

Выравнивание интерферограммы

ЦМР высокого разрешения

Удаление топографии }•

Пересчет фазы в смещения

х

Карта смещений

X

Расчет когерентности

Фильтрация интерферограммы

Развертка фазы

х

Коррекция орбиты

X

Построение ЦМР

ЦМР

Рис.1. Этапы стандартной интерферометрической обработки

На первом этапе производится совмещение радиолокационных снимков на основе орбитальных данных и локальной корреляции для достижения субпиксельной точности. Интерферограмма рассчитывается путем попиксельного перемножения совмещенных комплексных радиолокационных изображений. Для устранения быстрого набега разности фаз, возникающего вследствие разницы расстояний, проходимых сигналом при съемке с разных положений, производится выравнивание интерферограммы путем вычитания фазы, синтезированной из модели опорного эллипсоида. Фильтрация интерферограммы необходима для устранения шума, возникающего в результате пространственной и временной

декорреляции. На этапе развертки фазы раскрывается неоднозначность определения высот, возникающая вследствие регистрации фазы сигнала сенсором в интервале от -л до +л. Уточнение параметров орбиты движения КА при помощи наземных опорных точек позволяет уточнить базовую линию, повышая тем самым точность результата. Пересчет фазы интерферограммы и указание истинных высот для набора опорных точек позволяет построить ЦМР в абсолютных величинах. Для оценки смещений земной поверхности необходимо устранить из фазы интерферограммы топографическую составляющую, рассчитанную из опорной ЦМР высокого разрешения. Для построения карты смещений производится пересчет интерферограммы, а указание наземных опорных точек позволяет рассчитывать абсолютные значения подвижек.

Приведен обзор программного обеспечения, реализующего полный цикл или отдельные этапы интерферометрической обработки (DORIS, RAT, IDIOT, GAMMA, SARscape, ROI_PAC, PolSARpro), рассмотрены возможности и недостатки каждого из пакетов. Наиболее оптимальными по требованиям к исходным данным и производительности являются пакеты DORIS и SARscape.

В заключение первого раздела приводится описание и анализ работ в области радиолокационной интерферометрии, раскрывая, таким образом, актуальность, цели и задачи диссертационной работы.

Вторая глава диссертации посвящена методике обработки и анализа больших объемов радарных данных и выбора отдельных пар снимков, основанной на исследовании зависимости когерентности радиолокационных сигналов от условий съемки и состояния земной поверхности.

На начальном этапе работы проведена обработка архива данных ENVISAT\ASAR (57 кадров), в котором присутствуют снимки нескольких районов нефтедобычи ХМАО за разные сезоны. В ходе работы с архивом не удалось рассчитать интерферограммы для большинства пар радиолокационных кадров. Стандартный алгоритм совмещения исходных кадров оказался не способен найти общие точки вследствие низкой когерентности радиолокационных сигналов, отраженных от поверхности при разновременной съемке. В ходе совмещения кадров для множества окон, равномерно распределенных по амплитудным изображениям, находится локальный сдвиг, при котором значение корреляции является максимальным. Вследствие низкого значения локальной корреляции для подавляющего большинства окон невозможно построить полином совмещения. Предлагается использовать численный критерий оценки пригодности пар радиолокационных, основанный на расчете локальной корреляции амплитудных изображений. Расчет проводится в соответствии с предложенной формулой:

0 = ЮО (5)

N

JV full

где N 02 - количество окон, для которых локальная корреляция больше порогового значения (0.2), Nfull - общее количество окон (1200). Предложенный критерий отражает в процентном отношении область перекрытия снимков,

которая может быть обработана интерферометрическим методом.

В центре дистанционного зондирования Земли ЮНИИ ИТ накоплен значительный архив (57329 кадров) оперативно принимаемых с 2005 г. радиолокационных данных ERS-2\SAR, который работает на орбите с апреля 1995 г., что позволяет восстанавливать многолетнюю динамику рельефа. В результате выхода из строя систем ориентации аппарата на орбите после аварии в 2001 г. получаемые снимки имеют большую ошибку в геопривязке (до 3000м) и являются малопригодными для интерферометрической обработки. Только для определенных пар кадров, у которых разница допплеровских центроидов не превышает половины частоты повторения зондирующих импульсов (1680Hz), возможно получить достаточно информативную интерферограмму. Одной из целей обработки архива кадров ERS-2\SAR является накопление достаточного объема данных для применения метода интерферометрии устойчивых отражателей (PSI - Persistent Scatterers Interferometry). Данный подход позволяет анализировать отдельные наиболее когерентные объекты, дающие высокий и устойчивый во времени уровень обратного отражения, и получать относительные смещения с точностью до 1мм.

Для обработки больших архивов РСА снимков ENVISAT\ASAR и ERS-2XSAR предложен и реализован метод, который объединяет проверку критических параметров интерферометрической съемки и численную оценку пригодности (формула 5). Для каждой интерферометрической пары рассчитываются значения перпендикулярной базовой линии, разности допплеровских центроидов, критерия пригодности, а также для визуального анализа строятся карты когерентности.

В результате на основе предложенного метода предварительного анализа из архива снимков ENVISAT\ASAR, выбрано 9 пар пригодных для интерферометрической обработки. В ходе обработки оперативно принимаемых данных ERS-2\SAR исключается большой объем снимков непригодных для интерферометрии.

Точность результатов интерферометрической обработки напрямую зависит от геометрии и параметров радиолокационной съемки при первом и втором пролете, а также соотношения сигнал/шум на интерферограмме, которое определяет ее информативность. Основным источником шума является изменение фазы сигнала при отражении от поверхности (фаза переотражения). При расчете интерферограммы фазы переотражения компенсируются не полностью, что приводит к временной и пространственной декорреляции интерферограммы. Для разработки методики выбора исходных радарных данных проведен анализ влияния длины волны зондирующего излучения, пространственной и временной базы, сезона съемки и ландшафтов поверхности на когерентность пар разновременных кадров. Установлено, что для РСА С-диапазона пригодной является съемка, выполненная с мая по октябрь. Максимальная временная база, при которой не происходит декорреляции интерферограммы, составляет 70 суток. Расстояние между РСА при повторных пролетах не должно превышать 700м, иначе это приводит к разрушению интерферометрической фазы в виду пространственной декорреляции. Следует заметить, что, исходя из теоретических расчетов, критическое значение длины базовой линии для ASAR в этом режиме

съемки (угол обзора 23°, пространственное разрешение 30м) составляет 1.2км.

Сравнение данных ENVISAT\ASAR и ALOS\PALSAR показало, что за счет большей длины волны (23 см) и, как следствие, лучшего проникновения в растительные покровы корреляция интерферометрических пар снимков PALSAR значительно выше. Сравнение карт когерентности пар кадров PALSAR на территорию Самотлорского месторождения с разными пространственными базами, показало значительное разрушение фазы интерферограммы в виду пространственной декорреляции. В связи с этим не удается построить ЦМР лесной территории, т.к. для этого используются пары с базовой линией более 3000м. Кроме того, у пары снимков с большой пространственной базой когерентность снижается при увеличении угла съемки. Среднее значение в дальней зоне обзора на 0.134 меньше чем в ближней, поэтому точность расчета высот рельефа падает при удалении от антенны РСА. В отличие от снимков ASAR для интерферометрических пар PALSAR при съемке снежной поверхности возможно получить устойчивую интерферограмму даже при временной базе до 1 года. Величины деформаций, полученные по результатам интерферометрической обработки зимней съемки, точнее отражают подвижки блоков земной коры в виду меньшего влияния сезонных изменений уровня торфяных болот.

Анализ зависимости когерентности от типов ландшафтов применительно ко всем сенсорам показал, что для территорий занятых густым лесом происходит значительное разрушение интерферометрической фазы. Тогда как для заболоченных областей с низкой растительностью, которая легко просвечивается электромагнитной волной, и техногенных объектов корреляция значительно выше. В случае повышенной влажности вследствие атмосферных осадков во время одного из пролетов КА снижение когерентности при использовании данных РСА ALOSYPALSAR незначительно.

Таким образом, применение сенсора с большей длиной волны (ALOS\PA.LSAR) исключает маскирующее влияние мелких растительных покровов и позволяет получить более устойчивые к временной декорреляции интерферограммы. Высокая точность ЦМР достигается при использовании интерферометрических пар снимков бесснежной территории с углом съемки от 36.6° до 38.7° (ближняя зона). Для оценки долговременных деформаций земной поверхности предпочтительнее использовать данные зимней съемки.

Третья глава описывает метод совместного анализа трех интерферограмм, рассчитанных с разными параметрами некогерентного усреднения соседних пикселов и обладающих различной информативностью, который позволяет получать результаты для областей с низкой когерентностью. Также в разделе предложены методы адаптирующие процесс интерферометрической обработки для территории Западной Сибири.

Для получения качественных результатов интерферометрии необходима точная привязка РСА снимков к земной поверхности, при совмещении с опорным рельефом в процедуре устранения мешающей фазы и указании истинных высот элементов рельефа на этапе уточнения параметров орбиты и построении ЦМР в абсолютных величинах. При стандартной обработке данных привязка осуществляется при помощи орбитальных элементов, находящихся в служебной

информации кадра, что не всегда обеспечивает требуемую точность. Другой способ - набор достаточного количества наземных опорных точек, географические координаты которых известны, и их можно идентифицировать на РСА кадре. Для этого используются металлические уголковые отражатели (УО) устанавливаемые на исследуемой территории перед съемкой, при помощи GPS приемников определяются их координаты и затем яркие точки от УО детектируются на изображении. Геопривязка РСА снимков производится на основе орбитальной информации и параметров съемки, при таком подходе достаточно одной наземной опорной точки на кадр. В ходе исследований проанализирована величина превышения обратного отражения над фоновым уровнем от УО разных конструкций (двухгранный, трехгранный треугольный, трехгранный квадратный), а также для спутниковых антенн приемных комплексов ЮНИИ ИТ и Кируна (Швеция). В таблице 1 приведены значения превышения обратного отражения относительно фона, определенные по снимкам с различных РСА, для специально установленных и техногенных УО.

Таблица 1 Превышение уровня отражения от различных уголковых отражателей

Уголковый отражатель

Эффективная площадь рассеяния

СУ

4 па ЗЛ2

<7 = 8

па

а = 12

па

А2

(7 = 2

лг

Конструкция и размер УО

Трехгранный треугольный с ребром 1м

Двухгранный с ребром 1 м

Трехгранный квадратный с ребром 2.5м

Трехгранный квадратный с ребром 1,25м

Антенна ЮНИИ ИТ диаметр 9м

Объекты нефтедобычи

Превышение отражения для _разных РСА_

Не определился

ERS-2\SAR - в 2 раза

ERS-2\SAR - в 4 раза

ERS-2\SAR - в 13 раз ALOSYPALSAR — в 2 раза TerraSAR-X-в 147 раз

ERS-2\SAR - в 74 раза ALOS\PALSAR - в 74 раза

ERS-2\SAR - в 12 раз ENVISAT\ASAR-в 12 раз ALOS\PALSAR - в 11 раз TerraS AR-X — в 73 раза

В случае применения в качестве УО антенны ЮНИИ ИТ производилось наведение на конкретный радиолокационный спутник. В результате анализа РСА

данных за 2007-09 гг. установлено, что наиболее оптимальным является трехгранный квадратный УО с ребром 1.25м, его площади достаточно для детектирования даже на снимке АЬ08\РАЬ8АЯ, а небольшие размеры позволяют легко сделать устойчивую конструкцию.

Установка большого числа УО на длительный период довольно трудоемкий и дорогостоящий процесс, к тому же для получения мощности обратного рассеяния, достаточного для успешной идентификации на снимке, необходима трехгранная конструкция с ребром не менее 2м при использовании АШБУРЛЬБАЯ с длинной волны 23см. Поэтому предлагается использовать для привязки кадров яркие точки от металлических объектов нефтедобычи, являющиеся техногенными УО (рис. 2).

а 6 в

Рис. 2. Техногенные уголковые отражатели на радарных и оптических космостшках: а - ALOS\PALSAR (4.10.07), б- ALOS\A miR2 (17.07.07). в - кустовая площадка

При таком подходе на РСА изображении находится яркая точка (2а), сравнивается для контроля с оптическими снимками (26) и при помощи GPS приемника определяются точные географические координаты соответствующие этому объекту на местности (2в). Применение данного метода при интерферометрической обработке РСА снимков ENVISAT\ASAR, ERS-2\SAR и ALOSVPALSAR на территории Федоровского, Самотлорского месторождений и г. Ханты-Мансийск позволило достичь точной геопривязки и получить качественные результаты.

При идеальных условиях интерферометрическая фаза зависит только от разности расстояний от антенны РСА до точки на отражающей поверхности при разновременной съемке. Однако в реальных условиях вследствие Релеевского рассеяния при отражении от поверхности интерферометрическая фаза является стохастической величиной, распределенной по закону Гаусса, с математическим ожиданием равным идеальной фазе и дисперсией, зависящей от когерентности. В условиях низкой когерентности предлагается использовать некогерентное усреднение комплексной выборки в направлении наклонной дальности, для расчета интерферограмм с разной степенью информативности. Для исходной комплексной интерферограммы / размером Му. N рассчитывается среднее значение пикселов внутри окна размера отх п:

''л(/+1)-1п(/+1)-1

W(U):

I I W)

^ k=m*i l=n*J

/(/77 * П) (6)

где 1ШС - усредненная интерферограмма (Multi-Look Complex), к,! - индексы внутри окна, /,_/ - индексы обработанной интерферограммы.

В результате размер и разрешение интерферограммы снижается в т раз в направлении наклонной дальности и в я раз в направлении азимута. Известно, что некогерентное усреднение позволяет снизить шум на интерферограмме в л]т*п раз.

В ходе обработки рассчитываются три интерферограммы с различными параметрами некогерентного усреднения, для которых выполняются этапы выравнивания, фильтрации и развертки фазы в соответствие со схемой, приведенной на рисунке 3.

Рис. 3. Схема дифференциальной интерферометрической обработки с использованием некогерентного усреднения соседних пикселов

Необходимым этапом процесса обработки (рис. 3) является выравнивание интерферограммы, которое производится путем вычитания синтезированной фазы. Информацией для синтеза фазы может служить цифровая модель рельефа низкого разрешения, в качестве которой можно использовать ЦМР Global TOPO 30 или векторизованные топографические карты масштабов 1:100000, 1:200000. Размер пиксела модели Global TOPO 30, доступной для данной территории, составляет около 500м для средних широт; неточность привязки и искажения в местах сшивки отдельных частей карт делают этот рельеф грубым и могут испортить интерферометрическую фазу. Оцифровка изолиний и отметок высот на топографических картах и дальнейшая интерполяция с целью получения

однородной сетки - достаточно трудоемкий процесс, что увеличивает время построения ЦМР. В ходе интерферометрической обработки данных разных спутников установлено, что наилучшим вариантом опорного рельефа является поверхность с постоянной высотой, значение которой вычисляется как среднее из ЦМР Global TOPO 30 на область, покрываемую радарным снимком, и корректируется на основе визуального анализа интерферограммы. В этом случае не возникает необоснованных резких всплесков фазы, а остаточные неопределенности, вызванные диапазоном регистрации фазы отраженного сигнала радаром от 0 до 2л, устраняются на этапе развертки фазы.

Выровненная интерферограмма содержит значительный уровень шума в областях с низкой когерентностью, который необходимо отфильтровать, не потеряв при этом информации о рельефе поверхности. В программном обеспечении, разработанном для интерферометрической обработки, реализованы наиболее распространенные адаптивные фильтры. Применение данных методов фильтрации позволяет снизить шум на интерферограмме, вызванный не полной компенсацией фазы переотражения. При этом производится усреднение разности фаз, что является полезным при решении задачи построения сглаженной ЦМР. Однако в этом случае также происходит удаление высокочастотных колебаний интерферометрической фазы, вызванных перепадами рельефа, что является неприемлемым при построении опорных ЦМР, которые в дальнейшем применяются для устранения топографической составляющей при расчете смещений. При помощи пакета MATLAB программно реализован фильтр, разработанный в университете New South Wales, Сидней. Особенность данного метода фильтрации заключается в том, что устраненный шум также подвергается фильтрации, а затем возвращается в интерферограмму. На первом этапе к исходной интерферограмме I размера Мх N пикселов применяется фильтр опорной медианы, который устраняет шум с высокой магнитудой. Результирующее значение интерферометрической фазы для каждого пиксела рассчитывается по следующей формуле:

-(л-1)/2</<(л-1)/2 И. У

где median - значение медианы для пикселов окна, arg - фазовая компонента комплексного числа;

(л-1)/2 (»-1J/2 /УЛ. А

I I W), (В)

где 1(к,1) - комплексное значение пиксела интерферограммы, к J - индексы пикселов внутри скользящего окна размером их п, который выбирается на основе значения локальной когерентности.

К обработанной на первом этапе интерферограмме применяется фильтр Lee с использованием направленного окна, которое позволяет сгладить близко расположенные фринги (изменение значения соседних пикселов на 2л) и сохранить мелкие детали. Полученная в результате применения двух фильтров

интерферограмма /,( вычитается из исходной / . К полученной компоненте шума 1п применяется фильтр опорной медианы с фиксированным окном, который устраняет оставшийся шум и выделяет информацию о рельефе, которая была бы потеряна при использовании стандартного адаптивного фильтра. В итоге результирующая интерферометрическая фаза рассчитывается по формуле:

IW

где Ifi¡ - отфильтрованная и сглаженная интерферограмма, /А( - детальная

информация о рельефе.

На рисунке 4 для сравнения приведены результаты применения стандартного адаптивного фильтра (4 б) и предложенного метода фильтрации (4 в) к исходной интерферограмме (4 а), полученной на основе обработки пары кадров ALOSYPALSAR на территорию Белоярского района ХМАО с сильно расчлененным рельефом за 10.06.2008 и 26.07.2008. Цветовой переход от черного до белого отражает изменение разности фаз от -п до +я. Опорные ЦМР, построенные с использование реализованного метода фильтрации комплексных интерферограмм, наиболее точно отражают рельеф поверхности и позволяют лучше устранить топографическую составляющую формулы (3) в ходе дифференциальной обработки.

а б в

Рис. 4. Фильтрация интерферометрической фазы:а — исходная интерферограмма; б - применение стандартного адаптивного фильтра в - применение предлоэ/еенного метода фильтрации

После этапа фильтрации интерферограммы при помощи метода растущих областей (region growing) выполняется развертка фазы путем добавления значения 27tk , где /с - целое число. Однако значительный уровень шума приводит к некорректной работе алгоритма, приводящей к разрывам фазы. Развертка интерферограммы, полученной при некогерентном усреднении размером 3x3 вследствие низкого уровня шума, проходит с минимальным количеством разрывов фазы, которые могут быть устранены вручную. Остальные развернутые интерферограммы корректируются в соответствии с предложенной формулой:

Фзз,abs(iJ\ У\ > Y(}>j) — Ycr

('>j)m°d2л- + 2л[Ф33„j,(/',j)/2жj, y2>r(ij)>r, (Ю)

где mod - обозначает операцию взятия остатка от деления; [ ] - целая часть

числа; ФИ/,Л, ,Ф22,„4, >Фзз,аь ~ развернутые фазы при некогерентном усреднении

размером 1x1, 2x2 и 3x3 соответственно; y(i,j) - когерентность,

соответствующая данному значению интерферометрической фазы; усг ,у1гу2 -

пороговые значения когерентности (0 < усг < у, < у2 < 1). Окончательное значение

фазы Ф fin (/', j) в данной точке выбирается на основе карты когерентности. Данная

формула составляет основу метода совместной обработки трех комплексных интерферограмм.

Абсолютная фаза после этапа развертки и коррекции содержит информацию, как о рельефе поверхности, так и о смещениях произошедших за время между съемками. Для оценки деформаций земной поверхности необходимо удалить топографическую составляющую из интерферограммы (формула 3). В этом случае проводится 3-х или 4-х проходная интерферометрическая обработка. Одна пара снимков, с большой пространственной базой и минимальным периодом повторного пролета используется для получения высокоточной опорной ЦМР. При этом необходимо чтобы, даты интерферометрической съемки, используемой для построения ЦМР, близко располагались к периоду, за который рассчитываются смещения земной поверхности. Наилучшие результаты построения опорных ЦМР для территории ХМАО получены при обработке снимков PALSAR при съемке в режиме улучшенного пространственного разрешения (fine beam). Минимально возможная временная база для данного РСА составляет 46 суток, но даже за этот интервал происходит изменение отражающей поверхности, что приводит к снижению когерентности. Вторая пара снимков, полученных с интервалом 1 год и более, используется для расчета долговременных смещений земной поверхности. При этом для корректного устранения топографической составляющей пространственная база должна быть меньше, чем у пары, применяемой для построения опорной ЦМР.

Результатом преобразований интерферометрической фазы являются относительные значения возвышений рельефа и смещений отражающей поверхности. Для получения ЦМР в абсолютных величинах необходимо для ряда точек на снимках указать истинные высоты, в качестве которых возможно использовать отметки высот и триангуляционные пункты, обозначенные на топографических картах масштаба 1:50000. В случае наличия дополнительной информации о районе исследования, такой как данные непосредственных подспутниковых экспериментов или измерения на пунктах геодинамических полигонов, развернутых на месторождениях, для получения абсолютных смещений целесообразно использовать и эти сведения.

В результате анализа карт сезонных вертикальных смещений установлено, что в летний период отрицательные подвижки связаны с разгрузкой болот в речную сеть, положительные - с поднятием уровня воды в торфяных болотах на границе бессточных областей и антропогенных (объекты нефтедобычи) площадях. В октябре 2007 года в ходе полевых обследований были качественно подтверждены смещения на торфяных болотах, связанные с межсезонным изменением уровня

воды. Колебания уровня болот являются периодическими и в данном случае мешают обнаружению смещений связанных с движением грунта, поэтому важной задачей является исключение этой составляющей из интерферометрической фазы.

Для проверки результатов, рассчитанных по методу РСА интерферометрии, необходимо объяснить построенные карты при помощи непосредственных наземных наблюдений или сравнить с данными, полученными другими достоверными методами, и оценить погрешность цифровых моделей. Теоретически методом площадной радиолокационной интерферометрии при идеальных условиях съемки высоту поверхности возможно определить с точностью до 1м, смещения — до 1см. Величина ошибки получаемых значений зависит от длины базовой линии и когерентности пары снимков, следовательно, при увеличении интервала между повторными пролетами точность падает. Спекл-шум в виду объемного рассеяния при распространении сигнала сквозь растительность, снижает качество получаемых результатов, поэтому погрешность зависит от ландшафта и неравномерно распределена по радиолокационному кадру. В качестве внешней проверки точности ЦМР построенных по результатам РСА интерферометрии разработана методика, использующая рельеф, восстановленный по топографическим картам 1:50000, 1:100000, 1:200000.

Разработанные методы и выявленные особенности подробно описаны и подтверждены серией интерферометрических расчетов и экспериментов.

В четвертой главе диссертации рассмотрено применение разработанных методик, показаны примеры обработки различных данных с целью выявления смещений на действующих нефтяных и газовых месторождениях Западной Сибири. Описаны совместные хоздоговорные работы, отражающие внедрение результатов диссертации. Так как исследования отличаются по территории, применяемым данным и объему доступной дополнительной информации, в конце главы проведено сравнение и сделаны выводы о необходимости и достаточности радиолокационных, оптических, наземных и других сведений для получения качественных ЦМР и карт смещений.

В рамках гранта Европейского космического агентства выполнена полная интерферометрическая обработка 9 пар кадров ЕМУ18АТ\А8АК. Параметры съемки: длина волны 5.6см (С-диапазон), режим одной комбинации поляризаций (УУ), угол обзора поверхности 22°, пространственное разрешение 30м, период повторного пролета 35 суток. В результате построены ЦМР Федоровского нефтяного месторождения ХМАО и территории вдоль магистрального трубопровода в Белоярском районе, а также построена карта сезонных вертикальных смещений на территории Федоровского лицензионного участка вблизи озера Качнылор. Проведено сопоставление расчетных подвижек со схемой динамически напряженных зон, построенной НПЦ «Геоэкология» (г. Сургут) на основе линеаментного анализа оптических космоснимков, а также с полевыми исследованиями на этой территории в октябре 2007 г. Повышенная аварийность нефтепромысловых трубопроводов в местах пересечения с динамически напряженными зонами может быть связана с сезонными смещениями земной поверхности, обнаруженными методом радиолокационной интерферометрии.

Совместно с Западно-Сибирским филиалом института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН (ЗСФ ИНГ.Г СО РАН) проведена работа по мониторингу Самотлорского геодинамического полигона (СГДП) за 2007-08 гг. Измерения на СГДГТ проводятся ежегодно, начиная с 2002 г., что позволяет отследить процесс формирования и изменения мульды оседания на Самотлорском месторождении. В рамках гранта Японского аэрокосмического агентства для покрытия территории СГДП заказаны 18 сцен ALOS\PALSAR, снятых в летний и осенний сезоны 2007-08 гг. в соответствии с планом работы спутника, установленным оператором. Параметры съемки: длина волны - 23см (L-диапазон), режим съемки - FBD с двумя комбинациями поляризаций, угол обзора поверхности - 38°, пространственное разрешение - 10м.

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. В итоге, для обработки выбраны 12 снимков, полученных при излучении и приеме горизонтально поляризованного сигнала (НН), что дает наилучшее проникновение сквозь растительные покровы. Для построения ЦМР и карт смещений на всю территорию Самотлорского месторождения использованы по три интерферометрические пары, из результатов обработки которых затем составлены мозаики. Области снимков, покрытые густым лесом, а также водные объекты, исключены из обработки в виду значительного разрушения интерферометрической фазы.

Геопривязка кадров проведена по методу детектирования точечных объектов нефтедобычи, географические координаты которых определены в ходе подспутниковых экспериментов на Самотлорском лицензионном участке в октябре 2007 г. с использование GPS приемника. В качестве наземных опорных точек для указания абсолютных высот и смещений использованы результаты нивелировки на СГДП за 2007-2008 гг. 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.

По данным летней радиолокационной съемки 2008 г. с использованием значений нормальных высот нивелирных знаков за 2008 г. построена опорная ЦМР высокого разрешения. Выбраны пары с минимально возможным для ALOSYPALSAR периодом - 46 суток. За такой интервал не происходит значительных смещений земной поверхности, и дифференциальная составляющая разности фаз минимальна. Длина перпендикулярной составляющей базовой линии (3300м) позволяет достичь высокой точности определения высот. При сравнении с рельефом, построенным по оцифрованным изолиниям с топографических карт масштаба 1:200000, среднеквадратическая ошибка составила 5.331м. В дальнейшем эта модель использована для удаления фазовой составляющей в процессе дифференциальной интерферометрической обработки.

По результатам обработки пары снимков с минимально возможной временной базой оценены сезонные вертикальные смещения на всей территории

месторождения, которые составили от -5см до +3см (август - октябрь 2007 г.). Для построения карты смещений использованы данные повторной радиолокационной съемки с периодом 1 год. Длина базовой линии составляет 1900м, что вносит погрешность в расчетные результаты, для устранения которой проведена дополнительная коррекция модели с использованием значений вертикальных смещений, измеренных на пунктах СГДП за 2007-08 гг. Погрешность полученных моделей, рассчитанная на основе длины базовой линии и карты когерентности, составила в среднем 2см.

В результате совместного анализа вертикальных смещений, полученных на основе радиолокационной интерферометрической обработки, и геодезических измерений на пунктах СГДП (рис. 5) сделаны следующие выводы:

• Положение нулевой изогипсы мульды оседания, полученной по материалам геодезического мониторинга на СГДП за 2007-08 гг., хорошо коррелирует с картой вертикальных смещений по результатам радиолокационной космосъемки.

• Пунктирная (предполагаемая) нулевая изогипса мульды оседания на участке точек 0067-0026 уточнена и скорректирована по данным радиолокационной космосъемки.

• Центральная, наиболее прогнутая часть мульды полностью коррелирует с данными радиолокационной космосъемки по цифровым данным (от -10 до +14мм).

На рисунке 6 приведены профили, отражающие масштабы подвижек в центре и на границах мульды оседания, формирующейся с начала разработки Самотлорского месторождения.

Совместно с ЗСФ ИНГГ СО РАН проведена работа по оценке смещений на Губкинском газовом месторождении ЯНАО, на котором также развернут геодинамический полигон. Однако по сравнению с СГДП здесь долгое время не проводилось наземных измерений, поэтому доступно меньше дополнительной информации для интерферометрической обработки. Из всего архива, накопленного с начала эксплуатации спутника ALOS с января 2006 г. до декабря 2008 г. на район Губкинского месторождения (39 сцен), выбраны 4, полученные в зимние сезоны 2007-09 гг. Съемка проведена в режиме одной комбинации поляризаций (FBD), при котором за счет увеличенной частоты дискретизации принимаемого отраженного сигнала достигается максимальное для РСА ALOSYPALSAR пространственное разрешение 5м.

По результатам интерферометрии построена ЦМР, отражающая состояние земной поверхности Губкинского месторождения на январь 2008 г. За счет длинной базовой линии (5512.712м) и достаточно высокой средней когерентности (0.31) удалось достичь восстановления рельефа со средней погрешностью ±5м. В качестве наземных опорных точек для указания абсолютных высот использованы результаты нивелирования на Губкинском геодинамическом полигоне за 2006 г. Дополнительно полученная ЦМР месторождения, подчеркивая особенности тектонического строения, позволила ранжировать площадь на три тектонических зоны.

Рис. 5. Картосхема вертикальных смещений земной поверхности Самотлорского месторождения 2007-08гг. по результатам интерферометрической обработки радиолокационных космоснимков с наложением мульды оседания, реперов геодинамического полигона и динамически напряженных зон.

а

6

Рис. 6. Профили вертикальных смещений через мульду оседания а) - профиль АВ, б) профиль СО.

По результатам дифференциальной интерферометрической обработки построены карты смещений за период 1 и 2 года. Так как за 2007-08 гг. не проводились наземные измерения на пунктах геодинамического полигона, расчет смещений проведен без указания наземных опорных точек, поэтому построенные модели отражают относительные сдвижения, произошедшие за время между съемками. Вертикальные смещения на Губкинском месторождении за 2007-08 гг. составляют от -3 до +4см, за 2007-09 гг. от -5 до +7см. Сохранение тенденции отрицательных и положительных движений блоков на протяжении двух лет подтверждает достоверность определения смещений методом спутниковой радиолокационной интерферометрии. При этом площади отрицательных смещений хорошо коррелируют с местами максимального отбора углеводородов как на Самотлорском, так и на Губкинском месторождениях. Предложенный метод оценки негативных вертикальных подвижек позволяет сократить периодичность дорогостоящих высокоточных геодезических измерений без потери точности.

Также построены ЦМР Приобского, Приразломного, Федоровского месторождений, территории вдоль магистрального трубопровода в Белоярском районе и г. Ханты-Мансийск на основе интерферометрической обработки данных АЬ08\РАЬ8А11 за 2006-09 гг. (всего использовано 92 снимка). Подтверждено на качественном и количественном уровне применимость предложенного подхода для различных природных ландшафтов Западной Сибири.

В заключении подводится итог проделанной работы: сформулированы

основные выводы, представлены полученные результаты, обозначены

перспективы дальнейших исследований.

Основные выводы и результаты работы

1. Разработан метод обработки интерферограмм, основанный на стохастической модели радиолокационной интерферометрии и использующий некогерентное усреднение комплексной выборки для устранения некоррелируемого шума. Метод позволяет корректно вычислять абсолютную фазу для областей с низкой когерентностью и рассчитывать высоты рельефа с точностью до 5м и смещения до 2см.

2. Предложенным методом обработки интерферограмм, зашумленных вследствие высокой временной декорреляции, построены опорные ЦМР, с использованием которых получены площадные оценки сезонных вертикальных смещений. Установлено, что отрицательные смещения земной поверхности связаны с разгрузкой болот в речную сеть, положительные — с поднятием уровня воды в торфяных болотах на границе бессточных областей и антропогенных (объекты нефтедобычи) площадях.

3. Установлены оптимальные условия радиолокационной съемки для получения интерферограмм минимально разрушенных временной декорреляцией:

• при использовании РСА снимков С-диапазона благоприятным временным периодом для получения достаточно информативных интерферограмм является позднее лето и осень, когда происходят наименьшие изменения в структуре растительных покровов;

• для территории ХМАО, на которой преобладают заболоченные и лесные ландшафты, предпочтительно использовать снимки Ь-диапазона;

• достаточной информативностью обладают пары снимков в Ь-диапазоне, полученные с интервалом до двух лет независимо от сезона и состояния природных ландшафтов.

4. На основе разработанного метода предварительного анализа радарных данных реализована пакетная обработка архивов кадров приборов Е1ЧУ18АТ\А8А11 и Е118-2\8А11 с целью расчета когерентности для дальнейшего визуального анализа и выделения интерферометрических пар, пригодных для построения ЦМР и расчета смещений. Предложенный критерий пригодности позволяет однозначно определить применимость пары радиолокационных космоснимков для интерферометрической обработки.

5. Экспериментально определена степень превышения уровня обратного отражения над фоновым для искусственных и техногенных уголковых отражателей на амплитудных изображениях в X, С, Ь диапазонах. Предложен метод привязки радиолокационных кадров, основанный на использовании ярких точек от объектов нефтедобычи, являющихся техногенными уголковыми отражателями.

6. Предложено использовать метод фильтрации фазового шума интерферограмм, позволяющий сохранить детальную информацию о рельефе земной поверхности при построении опорных ЦМР.

7. Построены карты долговременных смещений (до 2 лет) на районы интенсивной нефтедобычи ХМАО и ЯНАО. При учете величин сезонных смещений удалось выделить подвижки земной поверхности, связанные с добычей полезных ископаемых. Использование значений смещений, измеренных высокоточными методами на пунктах геодинамических полигонов, позволяет построить карту деформации в абсолютных или относительных величинах.

8. Разработана и применена методика оценки точности построенных ЦМР и карт смещений на основе топографических карт и высокоточных измерений на геодинамических полигонах.

9. Разработанные методы используются в работах по горно-экологическому мониторингу на территории нефтяных и газовых месторождений. Карты смещений, построенные на основе интерферометрической обработки радиолокационных космоснимков, позволяют уточнить и скорректировать границы мульды оседания, полученные по результатам геодезических измерений на геодинамических полигонах.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации научных

результатов диссертаг^ионных исследований:

1. Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Применение метода радарной интерферометрии для построения цифровых моделей рельефа и оценки смещений земной поверхности // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2008. №6. С. 28-33.

2. Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Технология построения цифровых моделей рельефа и оценки смещений методом радарной интерферометрии // Вестн. Новосиб. гос.ун-та. Серия: Информационные технологии. 2009. Т.7, вып. 1. С.66-72.

Статьи в других изданиях:

3. Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Обнаружение подвижек земной поверхности в зоне интенсивной нефтедобычи методами радарной интерферометрии // Материалы III Научно-практической конференции "Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования". 25-27 апреля 2006 г., Ханты-Мансийск. - Екатеринбург: Средне-Уральское книжное издательство, 2006.-200с. С.179-183.

4. Брыксин В.М., Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Мониторинг деформаций земной поверхности в районах интенсивной нефтедобычи по радарным интерферометрическим изображениям ENVISAT и ERS // Тезисы докладов четвёртой Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». - Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2006 г. С. 179.

5. Филатов A.B. Обнаружение подвижек земной поверхности в зоне интенсивной нефтедобычи методами радарной интерферометрии // Вестник Югорского государственного университета. 2006. №4. С.103-109.

6. Филатов A.B. Обнаружение подвижек земной поверхности в районах интенсивной нефтедобычи по радарным интерферометрическим изображениям

ENVISAT [Электронный ресурс] // Тезисы докладов конференции «Космическая съемка - на пике высоких технологий». 2007. Режим доступа: http://www.sovzondconference.ru/html/archive2007/pdf/027-rus.pdf

7. Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Мониторинг сезонных деформаций земной поверхности методом радарной интерферометрии по данным ENVISAT\ASAR и ALOS\PALSAR // Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования: материалы IV Научно-практической конференции. - Ханты-Мансийск: Полиграфист, 2008. -224с. С.195-201.

8. Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Интерферометрическая обработка радарных изображений ENVISAT, ALOS PALSAR и ERS-2 // Материалы одиннадцатой региональной конференции по математике «МАК-2008». - Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2008. - 157с. С.45-47.

9. Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Мониторинг деформаций земной поверхности методом радарной интерферометрии по данным ENVISATXASAR и ALOSYPALSAR // Контроль и реабилитация окружающей среды: Мат-лы симпоз. / Под общ. ред. М.В. Кабанова, A.A. Тихомирова. VI Международный симпозиум, Томск, 3-5 июля 2008 г. - Томск: Аграф-Пресс, 2008. - 384с. С.263-265.

10. Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Оценка деформаций земной поверхности в районах интенсивной нефтедобычи в Западной Сибири методом SAR-интерферометрии по данным ENVISAT\ASAR и ALOS\PALSAR // Тезисы докладов шестой Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». - Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г. С.229.

П.Брыксин В.М., Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Разработка технологии картирования вертикальных подвижек грунтов в местах промышленного освоения недр и магистральных трубопроводов на основе интерферометрической обработки космических радарных изображений // Югорский научно-исследовательский институт информационных технологий: Отчет за 2008 год / [отв. за вып. A.B. Щербаков]; Югорский НИИ информационных технологий. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. - 134с. С.41-48.

12. Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Применение РСА ERS-2\SAR и ALOS\PALSAR для мониторинга вертикальных смещений на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири // Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий: тезисы II Всероссийской научно-технической конференции. - Москва, РНИИ КП, 2-4 июня 2009 г, CD-ROM.

13. Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Мониторинг вертикальных подвижек на Самотлорском геодинамическом полигоне методом радарной интерферометрии // Материалы двенадцатой региональной конференции по математике «МАК-2009». - Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2009. - 169с. С.68-70

14. Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Оценка деформаций земной поверхности в районах интенсивной нефтедобычи Западной Сибири методом РСА интерферометрии по данным ENVISATVASAR и ALOSVPALSAR //

и

2 154

Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из"осмоса: Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов. Сборник научных статей. Выпуск 6. Том II. -М.: «Азбука-2000», 2009. С. 46-53

15.Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Оценка смещений земной поверхности методом радарной интерферометрии в условиях высокой временной декорреляции [Электронный ресурс] // Доклады XVI Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы». 2009. Режим доступа: http ://sy mp. iao. ru/ru/аоо/16/index

Отчеты о НИР:

16. Разработка комплексной технологии поиска и разведки углеводородов в сложно построенных, глубокозалегающих месторождениях / Рук. темы Камышников А.И., исп. Ерохин Г.Н., Евтюшкин A.B., Филатов A.B. и др / Отчет по НИР (заключительный) в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 20022006 годы» по госконтракту от 10.11.2005 г. № 02.467.11.7008. Номер гос. регистрации НИР 0120.0 511056 / Югорский НИИ информационных технологий. Ханты-Мансийск. 2007. 217с.

17. 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 / Рук. темы Копылов В.Н., исп. Полищук Ю.М., Евтюшкин A.B., Филатов A.B. и др. / Отчет по НИР (заключительный), номер гос. регистрации НИР во ВНТИЦентре №0120.0 508578, инв. 01/04-2007, инв. номер во ВНТИЦентре №0220.0801424 / Югорский НИИ информационных технологий. Ханты-Мансийск. 2007. 197с.

18.Информационно-космические технологии рационального природопользования / Рук. темы Копылов В.Н., исп. Евтюшкин A.B., Алсынбаев К.С., Филатов A.B. и др. Отчет по НИР (промежуточный), номер гос. регистрации НИР 0120.0 851042, инв. 01/07-2008 / Югорский НИИ информационных технологий. Ханты-Мансийск. 2008. 113с.

Отпечатано в ИИЦ ЮГУ

Подписано в печать 02.10.09 Формат 60x84/16. Гарнитура Times New Roman Усл.п.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 82 Информационно-издательский центр ЮГУ, 628012, Ханты-Мансийский автономный округ, г. Ханты-Мансийск, ул. Чехова, 16

2008153770

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Филатов, Антон Валентинович

Список сокращений

Введение

ГЛАВА 1. Анализ исходных данных и методов исследования

1.1. Принципы спутниковой радиолокации

1.2. Основы метода интерферометрической обработки радиолокационных данных

1.2.1. Математическое описание интерферометрической съемки

1.2.2. Обоснование точности определения высот и смещений земной поверхности

1.2.3. Основные этапы интерферометрической обработки

1.3. Возможности и недостатки программного обеспечения, реализующего процесс интерферометрической обработки

1.4. Обзор существующего опыта применения метода радиолокационной интерферометрии для^мониторинга смещений земной поверхности

1.5. Выводы к первой главе

ГЛАВА 2. Методика выбора данных радиолокационной съемки для построения цифровых моделей рельефа и оценки смещений

2.1. Метод предварительной обработки и анализа больших объемов радиолокационных данных

2.2. Исследование влияния параметров и условий радиолокационной съемки на точность построения цифровых моделей рельефа и оценки смещений применительно к ландшафтам Западной Сибири

2.3. Исследование когерентности интерферометрических пар АШ8\РАЬ8А

2.4. Выводы ко второй главе

ГЛАВА 3. Метод радиолокационной интерферометрии в условиях высокой временной декорреляции

3.1. Подспутниковые эксперименты с искусственными уголковыми отражателями, ориентированными на радиолокационные спутники

3.2. Разработка эффективного метода геопривязки радиолокационных снимков

3.3. Разработка метода обработки комплексных интерферограмм с низким соотношением сигнал/шум

3.3.1. Расчет интерферограмм с использованием некогерентного усреднения комплексной выборки

3.3.2. Выравнивание интерферограммы по эллипсоиду

3.3.3. Программная реализация-метода фильтрации с сохранением высокочастотных колебаний фазы

3.3.4. Развертка фазы и совмещение интерферограмм

3.4. Расчет долговременных смещений земной поверхности, связанных с движением блоков земной коры в результате добычи нефти

3.5. Верификация-цифровых моделей рельефа и карт смещений, построенных методом радиолокационной интерферометрии

3.6. Выводы к третьей главе

ГЛАВА 4. Результаты применения разработанных методов для мониторинга смещений земной поверхности на эксплуатируемых месторождениях

4.1. Оценка сезонных относительных подвижек земной поверхности по данным Е>Ш8АТ\А8АК и АШ8\РАЬ8АЯ

4.2. Мониторинг абсолютных смещений земной поверхности на Самотлорском геодинамическом полигоне за 2007-08 гг.

4.3. Мониторинг относительных смещений земной поверхности на Губкинском месторождении ЯНАО за 2007-09 гг. по материалам зимней съемки АЬ08\РАЬ8А

4.4. Построение цифровых моделей рельефа на основе интерферометрических пар с короткой пространственной базой

4.5. Выводы к четвертой главе

Введение диссертация по физике, на тему "Метод обработки комплексных радиолокационных интерферограмм в условиях высокой временной декорреляции"

Актуальность исследований. Эффективным методом, позволяющим получать площадные оценки вертикальных и плановых смещений земной поверхности, является интерферометрическая обработка радиолокационных космоснимков. Преимуществом радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА) перед оптическими сенсорами 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. Преимущество интерферометрического метода перед обработкой стереоснимков заключается в более высокой точности получаемых результатов, достигаемой за счет использования фазовой компоненты отраженного поверхностью радиосигнала. 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. Однако проводимые работы по нивелировке, гравиметрии, СР8-измерениям, измерениям локального магнитного поля Земли требуют значительных финансовых и трудовых затрат. 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. Более того, в условиях непроходимой болотистой местности не всегда удается добраться до определенных пунктов для проведения замеров.

Таким образом, практическая актуальность исследований заключается в необходимости применения новых наукоемких методов для мониторинга дневной поверхности месторождений нефти и газа.

Состояние исследований. В настоящее время данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) активно применяются для решения задач мониторинга, в том числе и нефтегазовых месторождений. Использование оптических и радиолокационных космоснимков сокращает финансовые и временные затраты по сравнению с традиционными методами. Данные ДЗЗ имеют широкий спектр возможных приложений, таких как обнаружение лесных пожаров, мониторинг разливов нефти, контроль сжигания попутного нефтяного газа и т.д. Важную роль при решении таких задач играет оперативность получения информации и частая повторяемость данных.

Для решения прикладных задач с использованием космоснимков необходима их тематическая обработка, которая позволяет выделить те или иные элементы ландшафта или оценить интересующие характеристики отражающей поверхности.

Первое применение интерферометрической обработки РСА съемки с повторяющихся орбит космического аппарата КА для оценки смещений земной поверхности отмечено в 1989 в работе Gabriel и Goldstein [18]. С тех •пор проведено множество исследований по совершенствованию процесса вычислений и по использованию метода в прикладных исследованиях. Разработано множество программных пакетов, реализующих полный цикл обработки и позволяющих проводить расчеты с минимальными знаниями принципов интерферометрии.

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. Для обработки зашумленных фрагментов интерферограммы в данной работе (Глава 3) предложен метод, основанный на некогерентном усреднении комплексной выборки.

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.

С момента запуска первого искусственного спутника с РСА на борту (БЕАЗАТ, 1978) накоплен огромный объем радиолокационных данных. Однако не все данные оказываются пригодными для интерферометрической обработки с целью построения ЦМР и оценки смещений земной поверхности. При выборе исходных радиолокационных снимков исследователи основываются на геометрических принципах интерферометрической съемки. Успешность применения пары кадров определяется исходя из таких критериев как пространственная и временная база, разрешение на местности. При заказе сцен для исследования новой территории с присущими ей ландшафтами нет абсолютной уверенности в пригодности данных. Вследствие того, что цена РСА данных растет пропорционально пространственному разрешению, заказ бесполезных данных приводит к финансовым затратам. В связи с этим в данной работе (Глава 2) решается задача установления комплексного влияния параметров съемки и состояния ландшафтов земной поверхности на пригодность интерферометрических пар. На основе стохастической модели радиолокационной интерферометрии предложена численная оценка применимости радиолокационных кадров и возможности получения информативных интерферограмм.

Метод дифференциальной интерферометрии, на основе которого строятся карты смещений, требует наличия опорных цифровых моделей рельефа отражающей поверхности (ЦМР), 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 Topo 30 не обладает требуемой точностью и имеет значительные ошибки в географической привязке. Оцифровка отметок высот и изолиний с топографических карт необходимого масштаба (1:10000 — 1:25000) достаточно трудоемкий процесс. В этом случае применяется метод трех проходной интерферометрической обработки, в ходе которой строится ЦМР высокого разрешения и на ее основе выделяется дифференциальная составляющая разности фаз. В связи с этим в данной работе (Глава 3) решаются задачи построения опорных ЦМР и оценки долговременных смещений земной поверхности.

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. 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 новых РСА. В связи с этим все предложенные в данной работе методы и алгоритмы расчета программно реализованы.

Цель и задачи работы