СПОСОБ МОНИТОРИНГА ОПАСНЫХ КАРСТОВЫХ И ОПОЛЗНЕВЫХ УЧАСТКОВ В ЗОНЕ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЕСТЕСТВЕННЫХ СТАБИЛЬНЫХ ОТРАЖЕНИЙ
METHOD FOR MONITORING OF DANGEROUS KARSTIC AND LANDSLIP SECTIONS IN ZONE OF RAILWAY ROADS WITH APPLICATION OF NATURAL STABLE REFLECTIONS

1. Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к технической диагностике состояния железных дорог, к оценке опасности карстовых и оползневых участков в зоне полотен железных дорог методами дистанционного зондирования из космоса с применением технологии космической радиолокационной интерферометрии.
2. Уровень техники.
Известен способ дистанционного контроля состояния трубопровода в зоне вечной мерзлоты, включающий проведение радиолокационной интерферометрической съемки с повторяющихся орбит космических аппаратов, когда расстояние между повторяющимися траекториями полета космического аппарата составляет не более 500 метров (патент RU № 2260742 С1, 20.09.2005).
Данный способ предполагает использование информации о разности фаз сигналов ΔФ в каждом элементе изображения, причем эта информация содержит сведения о перемещениях отражающей поверхности и ее рельефе. При наличии трех и более радиолокационных съемок с повторяющихся орбит этот способ позволяет разделить влияние рельефа и мелкомасштабных подвижек поверхности, измерить рельеф и оценить амплитуду искомых подвижек. Однако в случае потери когерентности отраженных сигналов из-за сильных временных изменений микрорельефа подстилающей поверхности разность фаз ΔФ сигналов, отраженных от естественных покровов, в большинстве элементов изображения становится случайной, что не дает возможности обнаруживать подвижки подстилающей поверхности.
Наиболее близким к изобретению является способ мониторинга опасных карстовых и/или оползневых участков магистральных трубопроводов, железных и автомобильных дорог (патент № 2333506, 10.09.2008), использующий технологию радиолокационной космической интерферометрии и предполагающий установку искусственных стабильных радиолокационных отражателей в опасных оползневых и карстовых районах.
В данном способе проблема временной декорреляции отраженных сигналов и потери фазовой информации решается путем обработки сигналов только искусственных стабильных радиолокационных отражателей, установленных в заранее известных местах на опасных карстовых и оползневых участках. Однако данный способ может быть недостаточно экономичен из-за необходимости изготовления большого количества пассивных радиолокационных отражателей типа уголковых отражателей, их размещения на большой территории, из-за необходимости организации наблюдений за исправностью и сохранностью этих отражателей, а также необходимости нацеливания уголковых отражателей в случае изменения ракурса съемки.
3. Раскрытие изобретения.
topo
dyn
Заявленный способ включает многократную радиолокационную съемку зоны расположения железной дороги с повторяющихся орбит космических аппаратов с целью выявления естественных стабильных отражателей в зоне съемки, которые используются в дальнейшем для выявления динамики поверхности в месте их расположения, что позволяет решить проблему временной декорреляции отраженных сигналов разбросанных на местности естественных объектов. Далее для любой выбранной пары радиолокационных изображений, полученных в разные моменты времени, определяют разность фаз сигналов ΔФ на интерферограмме для естественных стабильных отражателей, содержащую информацию о перемещениях отражающей поверхности и рельефе. Затем, исходя из модели рельефа и геометрии съемки, вычисляют топографическую разность фаз ΔФ, порождаемую рельефом, и по разности указанных фаз определяют динамическую разность фаз ΔФ, за время между съемками данной пары, которая используется для вычисления вертикального перемещения поверхности и скорости этого перемещения в зоне карстовой опасности или для определения дальности скольжения оползня по склону и скорости этого скольжения в зоне оползневой опасности. В результате обеспечивается дистанционное обнаружение подвижек поверхности земли, опасных для инфраструктуры железных дорог.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение достоверности и снижение трудоемкости получаемой информации при зондировании поверхности земли на опасных карстовых и оползневых участках, что позволяет повысить безопасность эксплуатации железных дорог.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа мониторинга опасных оползневых и карстовых участков с помощью технологии радиолокационной космической интерферометрии, предполагающей работу с сигналами естественных стабильных отражателей, которые выявляются на радиолокационных изображениях по специальной методике.
topo
dyn
topo
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что с целью мониторинга опасных карстовых и оползневых участков проводится многократное радиолокационное картирование земной поверхности, по результатам которого выявляются естественные стабильные отражатели, для которых проводятся измерения интерферометрической разности фаз, характеризующие изменения разности расстояний от космического аппарата до выявленных стабильных отражателей. Для разделения влияния рельефа и подвижек зондируемой поверхности можно использовать цифровую модель рельефа, с помощью которой можно устранить топографическую компоненту ΔФ в интерферометрической разности фаз ΔФ отраженных сигналов, получив динамическую компоненту ΔФ=ΔФ-ΔФ характеризующую подвижки поверхности. Если цифровая модель рельефа недоступна, она может быть построена методами радиолокационной интерферометрии по паре снимков с высокой когерентностью при условии, что подвижек между съемками этих изображений не наблюдалось.
Измеренная динамическая составляющая разности фаз, характеризующая подвижки отражающей поверхности, может быть пересчитана в вертикальные подвижки выявленных естественных стабильных отражателей в области опасных карстовых участков следующим образом:
vert
где Δr - вертикальная составляющая перемещения отражающей поверхности относительно поверхности земли за время между съемками;
ΔФ - интерферометрическая разность фаз отраженных сигналов;
λ - длина волны сигнала радиолокатора;
θ - угол падения радиоволны на снимаемую поверхность.
slide
При оценке величины перемещения/скольжения Δr оползня с находящимися на нем естественными стабильными отражателями по склону с углом уклона u (отрицательное значение соответствует движению вниз) и азимутом перемещения α (α=0 при движении в направлении полета спутника; положительные значения угла α отсчитываются против часовой стрелки, если смотреть сверху) используем выражение
Ключевой момент в данном изобретении - выявление естественных стабильных отражателей. В зоне съемки практически всегда присутствуют элементы инфраструктуры или образования рельефа, дающие сильное отражение, подобно пластине, двугранному или трехгранному уголковому отражателю. В случае полной декорреляции отражений в большинстве элементов изображения естественных покровов стабильные элементы сохраняют неслучайную начальную фазу, они могут быть выявлены на серии изображений, как объекты, имеющие стабильную и достаточно высокую амплитуду отражения.
Процесс выявления естественных стабильных отражателей включает вычисления среднего значения яркости , (где S - яркость элемента i-го изображения) и среднеквадратичного отклонения  для каждого элемента изображения по совокупности из N совмещенных изображений. Естественные стабильные отражатели могут быть выявлены на серии радиолокационных изображений путем анализа дисперсии амплитуды одноименных элементов изображения.
Для повышения достоверности выявления стабильных отражателей необходимо не менее 15 радиолокационных изображений, причем изображения должны получаться с повторяющихся орбит космического аппарата, поскольку уровень отраженного сигнала таких естественных отражателей сильно зависит от ракурса съемки.
пор
пор
vert
slide
Пороговые величины для среднего значения яркости m и среднеквадратического отклонения σ, используемых для выбора естественных стабильных отражателей, подбираются при обработке с учетом насыщенности территории естественными постоянными отражателями и требуемой точности измерений. Удовлетворяющие данному критерию элементы изображения принимаются как естественные стабильные отражатели и используются в дальнейшем для выявления динамики поверхности в месте их расположения. Далее для выбранной пары радиолокационных изображений, полученных в разные моменты времени, определяют разность фаз сигналов ΔФ в месте расположения естественных стабильных отражателей, содержащую информацию о перемещениях отражающей поверхности и рельефе. После этого вычисляют вертикальную составляющую перемещений отражающей поверхности Δr за время между съемками для карстовых участков или горизонтальную составляющую (составляющую скольжения) Δr для оползневых участков.
Таким образом, технология радиолокационной космической интерферометрии при использовании естественных постоянных отражателей позволяет обнаружить мелкомасштабные смещения элементов поверхности, являющиеся стабильными отражателями в зоне опасных карстовых и оползневых процессов в месте прохождения железных дорог.
4. Осуществление изобретения.
пор
пор
Описываемый способ мониторинга опасных карстовых и оползневых участков в зоне железных дорог с использованием естественных стабильных отражателей реализуется следующим образом. Проводят многократную (не менее 15 съемок) радиолокационную съемку зоны расположения железной дороги с повторяющихся орбит космических аппаратов, когда расстояние между траекториями полета космического аппарата, представляющее собой интерферометрическую базу, не превышает 500-2000 метров, в зависимости от длины волны сигнала радиолокатора. Для каждого элемента совмещенного набора из N изображений вычисляют среднее значение яркости m и среднеквадратическое отклонение σ, которые сравнивают с допустимыми пороговыми значениями m и σ. Удовлетворяющие данному критерию элементы изображения принимаются как естественные стабильные отражатели и используются в дальнейшем для выявления динамики поверхности в месте их расположения. Далее для выбранной пары радиолокационных изображений, полученных в разные моменты времени, определяют разность фаз сигналов ΔФ в месте расположения естественных стабильных отражателей, содержащую информацию о перемещениях отражающей поверхности и рельефе.
Измерение перемещений стабильных элементов отражающей поверхности можно проводить с точностью до долей длины волны сигнала, что означает миллиметровую точность измерений при работе с радарами коротковолнового диапазона волн типа ERS, ENVISAT, TERRASAR-X или COSMO-SKYMED. В результате обеспечивается дистанционное обнаружение подвижек поверхности земли, опасных для инфраструктуры железных дорог.
Измерение разности фаз между элементами изображений комбинируемых сеансов можно проводить в диапазоне от минимального периода повторения орбиты до нескольких лет. Увеличение интервала времени между наблюдениями увеличивает амплитуду эффекта, вместе с тем оно также приводит к возрастанию временной декорреляции отражений от естественных стабильных отражателей, вплоть до полной потери сигнала.
Настоящее изобретение может быть использовано для мониторинга опасных карстовых и оползневых участков в зоне железных дорог и предотвращения таким образом техногенных катастроф.