Применение метода радарной интерферометрии для построения цифровых моделей рельефа и оценки смещений земной поверхности

Евтюшкин А. В., Филатов А. В. Применение метода радарной интерферометрии

для построения цифровых моделей рельефа и оценки смещений земной поверхности

С целью предупреждения и снижения ущерба от влияния разломных структур на объекты нефтедобычи (трубопроводы, скважины, строения) проводится мониторинг на этапах разработки и эксплуатации месторождений. Комплекс исследований, проводимых при помощи данных дистанционного зондирования Земли, является дополнением к наземным геологическим и геофизическим работам, выполняемым нефтедобывающими компаниями в соответствии с требованиями управления по технологическому и экологическому надзору Ростех-надзора. В настоящее время наряду с комплексом геодезических работ: по нивелировке, гравиметрии. ОРБ-измерениям, измерениям локального магнитного поля Земли применяется визуальный анализ аэро- и космоснимков оптического диапазона. Дифференциальная интерферометрия на основе радарной съемки с повторяющихся орбит космического аппарата - это современный способ дистанционного зондирования, позволяющий получать цифровые модели рельефа и наблюдать динамику подстилающих покровов за время между съемками. Известно успешное применение техники для обнаружения просадок грунтов в районах угольных шахт в Англии, нефтяных полей в Калифорнии, крупных мегаполисах Европы, зон землетрясений и действующих вулканов. Это дает основание использовать данный метод для оценки деформаций земной поверхности в районах интенсивной нефтедобычи Западной Сибири.

В соответствии с программой «Комплексная система геодинамической безопасности в зоне деятельности ОАО «Самотлорнефтегаз» ЗАО НПП «Центром прикладной геодинамики» в 2001-2002 годах выполнены работы по созданию С'амотлор-ского геодинамического полигона (СГДГ1) [1]. Западно-Сибирским филиалом института нефтегазовой геологии и геофизики (ЗСФ ИНГГ СО РАН) на основе геодезических измерений на СГДП построена мульда оседания за период наблюдений с 2002 по 2007 годы.

Основная цель исследовательской работы заключается в обнаружении подвижек земной поверхности, вычислении их абсолютных значе-

ний с учетом величин смещений пунктов СГДП. полученных в результате нивелировки ii класса точности. Также планируется сопоставить построенную карту смещений с мульдой оседания и тем самым сделать выводы о применимости интерферометрического метода для оценки смещений земной поверхности в районах интенсивной нефтедобычи, одним из которых является Самотлорское нефтяное месторождение.

В качестве исходных данных использованы 1X радарных кадров АШБ/РЛЬБАЯ, полученные в рамках гранта Японского аэрокосмического агентства (МХА). Критерии выбора сцен основаны на опыте, накопленном при ингерферометрической обработке данных ЕЯ5-2 и ЕЫУ^АТ [2-5]. Для исключения маскирующего влияния снежного покрова использовались результаты съемки АЮ8\ РАЕБАЯ проведенной в летний и осенний периоды 2007-08 гг. Параметры зондирующего сигнала: длина волны 23 см (¿.-диапазон), режим двойной поляризации (ПН, НУ), угол обзора поверхности 38°, пространственное разрешение 10 м. Период повторного пролета составляет 46 суток. Выбор сцен произведен в соответствие с планом работы спутника, установленным МХА [6].

В работе использовано программное обеспечение ЕЫУ1\8А115саре, позволяющее проводить полный цикл дифференциальной интерфероме-трической обработки с возможностью настройки параметров расчета отдельных этапов.

Фаза интерферограммы. рассчитанная при использовании пары разновременных снимков, складывается из нескольких составляющих:

Ф = Ф + Ф + Ф

гори ^ ¿е) ^ от

Ф..

где Ф1ро - фазовый набег за счет обзора топографии под двумя разными углами: Ф /(/-фазовый набег за счет смещения поверхности в период между съемками; Ф - фазовый набег за счет различия длин оптических путей из-за преломления в среде распространения сигнала; Фи - вариации фазы в результате электромагнитного шума [4]. Последние две составляющие не несут информации

о топографии поверхности, поэтому с помощью коррекции и фильтрации исключаются.

el)

topo

JkB, Xr sin ©

•г + Ф

flat dearth -

где В - перпендикулярная составляющая базовой линии, соединяющей положения антенны радара при повторной съемке, конкретной точки земной поверхности; 0 - угол обзора поверхности при первом пролете; X - длина волны сканирующего излучения; г - расстояние между антенной и точкой на поверхности; г - высота поверхности над опорным эллипсоидом; .^-предопределенная фаза, рассчитанная из модели опорного эллипсоида.

Устранение мешающей составляющей Ф,/;, ^ необходимо для уменьшения высокочастотных переходов фазы, возникающих на интерферограм-ме вследствие разницы расстояния проходимого сигналом при съемке с разных положений, а также переходов вносимых рельефом поверхности. Информацией для расчета Ф может служить цифровая модель рельефа (ЦМР) низкого разрешения. в качестве которой можно использовать ИоЬаПороЗО или векторизованные топографические карты масштабов 1:100000, 1:200000. Размер пиксела С1оЬа1Торо30 составляет около 500 м для средних широт, неточность привязки и искажения в местах сшивки отдельных номенклатурных листов 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 С1оЬа1Торо30 на область, покрываемую радарным снимком. 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.

Величина смещения земной поверхности Лг произошедшего за время между повторными съемками отражается в фазовой составляющей Фд,:

471 Л

ФМ = — Л''

Из уравнений 1-3 следует, что интерфероме-трическая фаза Ф содержит информацию как о рельефе, так и о смещении. При этом Ф( проявляется тем больше, чем больше значение В . т.е. чем дальше находится спутник при своем повторном пролете от первого положения.

Максимальным значением В , при котором возможен расчет интерферограммы. является критическая база В

г х.сг

в

1 .сг

Xr tan 0

2 Л,

где /?; - пространственное разрешение в направлении наклонной дальности.

Для используемого режима съемки FBD (Fine Beam Dual) величина критической базы составляет 6500 м. В случае превышения этого значения, что наблюдалось для пары снимков (19.06.2008 -04.08.2008), возникает несоответствие перехода фазы (0 - 2к) перепаду высот на местности. Расчет ЦМР на основе данных PALSAR показал, что успешное восстановление рельефа возможно при длине перпендикулярной составляющей базовой линии более 3000 м, в противном случае возникающая неоднозначность определения относительных высот приводит в значительной погрешности результата. Тогда как построение карты смешений необходимо выполнять при условии, что В не превышает 1000 м. в этом случае разница в углах обзора поверхности незначительна, сигнал при первом и повторном пролете проходит по близким путям и за счет этого дополнительно возрастает пространственная корреляция сигналов.

Когерентность Coh является величиной применимости пары радарных снимков для интерферометрической обработки и уменьшается в виду пространственной и временной декорреляции и шума вносимого в сигнал при распространении и отражении от поверхности:

Coh =

StS2

где 5, и 5, - комплексные значения отраженного сигнала для первого (master) и второго (slave) снимков.

Значение когерентности близкое к 1 свидетельствует о стабильности интерферометрической фазы, тогда как низкая величина о разрушении фазы регистрируемых сигналов. Несмотря на значительное увеличение временной когерентности отраженного сигнала L-диапазона (23 см) по

сравнению с С-диапазоном (5.6 см) совместный анализ радарных и оптических снимков показал низкое значение СоИ (менее 0.25) для областей занятых густым хвойным лесом. При увеличении длины базовой линии до 3000 м имеет место и пространственная декорреляции. поэтому не удается восстановить рельеф и смещения для лесной территории у северных и восточных границ Самотлорского лицензионного участка.

Для исключения воздействия разрушенного или слабого сигнала на результат обработки манипуляции с фазой производятся с применением отсечения зашумленных в виду декорреляции областей интерферограммы на основе величины СоЬ. Для устранения случайных высоких значений на карте когерентности и оконтуривания областей с разрушенной фазой применяется адаптивный фильтр. В ходе вычислений исследованы параметры фильтрации и найдены наиболее оптимальные значения (размер окна 20x20 пикселей, пороговое значение 0.20), при которых значения разрушенной фазы не влияют на формирование окончательных результатов.

Для построения ЦМР и карты смещений на территорию Самотлорского месторождения использованы 16 сцен, снятых летом и осенью 2007-08 гг. На основе радарных кадров снятых сенсором РЛЬБАЯ летом 2008 г составлены 3 интерферометрические пары с пространственной базой 3500 м и периодом повторного пролета 46 суток. Такие условия съемки позволяют наиболее точно восстановить рельеф земной поверхности, который в дальнейшем может быть использован для расчета смешений. В качестве наземных контрольных точек при пересчете относительных высот в абсолютные указаны отметки высоты с топографических карт масштаба 1:50000. При сравнении с рельефом, построенным по оцифрованным изолиниям с топографических картам масштаба 1:200000, среднеквадратическая ошибка составляет 5.331 м.

Из-за отсутствия данных об изменении высот пунктов СГДП за 2007-08 гг. и. основываясь на анализе отчетов, сделано предположение, что динамика мульды оседания 2007-08 гг. незначительно отличается от 2006-07 гг. Поэтому для построения карты сдвижений 2007-08 гг. использованы нормальные высоты и вертикальные смещения. измеренные на пунктах СГДП в период с 2006 по 2007 гг. [1]. Из общего количества 85 геодинамических пунктов выбрано 48 на основании критерия: когерентность, соответствующая области в которой установлен репер, должна

превышать пороговую величину (0.2). в этом случае интерферометрическая фаза участвует в расчете карты смещений. По данным летней полевой съемки 2008 с использованием значений нормальных высот нивелирных знаков за 2007 г/ построена опорная ЦМР высокого разрешения, которая в дальнейшем использована для удаления фазовой составляющей Ф в процессе дифференциальной интерферометрической обработки. Пересчет фазовой составляющей Ф,7 произведен с использованием вертикальных смещений, измеренных на пунктах СГДП. На рис.1 приведены картосхема геодинамических смешений по результатам интерферометрической обработки пар снимков (04.10.07 - 06.07.08. 16.10.07 - 18.07.08), а также пространственные профили через мульду оседания для оценки масштабов подвижек.

В ходе структурно-геоморфологического обследования береговой линии и зеркала озер Самотлор и Кымыл-Эмтор, проводимого сотрудниками ЗСФ ИНГГ СО РАН, выявлено смещение акваторий на север в сторону мульды оседания [1]. В южной части происходит осушение, а в северной обводнение прибрежной полосы, изменяется видовой состав растительных покровов. При проведении интерферометрической обработки АЬ05/РАЬ8АК особое внимание уделено территории вокруг озера Кымыл-Эмтор, расположенного в южной части Самотлорского лицензионного участка.

В случае водных объектов имеет место полное отражение радарного сигнала от гладкой поверхности, что приводит к регистрации низкой интенсивности обратного рассеяния сигнала от этих областей. На изображении пиксели, принадлежащие таким областям, обладают более низкой яркостью, чем пиксели суши. Данное физическое явление позволяет выделить контуры озер, рек и открытой воды, а совместный анализ разновременных радарных снимков проследить изменения во времени. Совмещение геопри-вязанных кадров и последующий визуальный интенсивности отражения сканирующего сигнала от берегов не дал никаких результатов. Интерферометрический подход и рассмотрение карт когерентности (рис. 2.) пар радарных снимков с периодом повторной съемки 46 суток (04.07.2007 - 19.08.2007), 92 суток (04.07.2007 -04.10.2007) и 1 год (04.07.2007- 06.07.2008) показал увеличение области с низкой временной когерентностью у северного, северо-восточного и южного берегов озера Кымыл-Эмтор.

-0.042..-0.021м

-0.021...-0.012м т -0.012...-0.003м

-0.003...+0.005м

2 0.00 ф"

1 -ф

2

О

-0.02

-

-

Л«. - и " »к ^ • л ^^

10 20 Попечение, км 30

б

0.000 -

20

Положение. км

Рис. 1. а - карга вертикальных смешений Самотлорского месторождения; б - профиль АВ; в - профиль С1).

4

Рис. 2. Карты когерентности: а - 46 суток; 6-92 суток; в - I год

Результаты дифференциальной интерфероме-грии выявили большее оседание в северной части

озера по сравнению с южной. Это хорошо заметно по величинам смещений вдоль профиля ЕР на рис. 3.

о.ооо \

$ -0.002 х

1

2 -0.004

-0.006

N Г

200 400 600

Положение, км

Рис. 3. Профиль вертикальных смещений по линии EF

Карта смещений, полученная на основе радарных космоснимков. отражает текущее геодинамическое состояние Самотлорского нефтяного месторождения разрабатываемого более 40 лет и на качественном уровне согласуется с мульдой оседания, построенной поданным наземных геодезических измерений на СГДП [1].

Из полученных результатов можно сделать выводы и сформировать критерии отбора и применимости данных для построения цифровой модели рельефа местности и оценки вертикальных смешений методом спутниковой радарной интерферометрии:

• в условиях слаборасчлененного рельефа допустимо использование в качестве опорного рельефа поверхности с постоянной высотой;

• применение сенсора с большей длиной волны (РАЕБАЯ. 23 см) позволяет исключить маскирующие влияние мелких растительных покровов при построении ЦМР и расчета смещений;

• при обработке сигнала отраженного от поверхности покрытой густым лесом, происходит разрушение фазы в результате временной и пространственной декорреляции;

• по ннтерферометрическим парам PALSAR с просгранственной базой более 3 км возможно построение ЦМР, соответствующей по точности топографическим картам масштаба 1:50000;

• применение метода двухпроходной дифференциальной интерферометрии позволяет получить плошадное представление о смещениях земной поверхности, происходящих на территории разрабатываемых нефтяных месторождений;

• величина вертикальных подвижек на нефтяных месторождениях, определяемая методом спутниковой радарной интерферометрии, составляет до 2 см в год.

Работа выполнена при поддержке фанта 07/ JAXA/ASP No. 0704001.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горно-экологический мониторинг на территории горного отвода Самотлорского месторождения нефти с учетом анализа выполненных работ при заложении наблюдательной геодезической сети. Трехгодичный цикл наблюдений 2005-2007 гг. Отчет за годовой цикл 2007 года. / Отчет по НИР. ЗСФ ИНГГ СО РАН. Тюмень. 2007. 156 с.

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

3. Евтюшкин А. В.. Филатов А. В. Мониторинг сезонных деформаций земной поверхности методом радарной интерферометрии поданным ЕЫУ^АТАБЛЯ и АЬОЗУРАЬБАЯ // Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования: мате-

риалы IV Научно-пракгической конференции. Ханты-Мансийск: Полиграфист, 2008. 224 с. С. 195-201.

4. Евтюшкин A.B., Филатов A.B. Мониторинг деформаций земной поверхности методом радарной интерферометрии поданным ENV1SATYASAR и ALOSV PALSAR // 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. 384 с. С. 263-265.

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

6. http://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/obs/overview.hini

Суслов Н. В.

Формирование сетевой операционной системы

для защищенного взаимодействия и распределенных вычислений

С момента зарождения компьютерных технологий программное обеспечение (ПО) развивается в соответствии с запросами аппаратной архитектуры, новых парадигм программирования, философских аспектов в области информационных технологий. Сам процесс развития ПО часто сводится к инкрементальному обновлению или модификации уже созданного программного кода путем наращивания функциональных возможностей и расширения области применения. Такое развитие объясняется необходимостью сохранения старых технологий и пользователей, сохранением затраченного технологами-программистами труда и средств работодателя, критикой несовершенности новых технологий. Но на самом деле эти объяснения представляют собой лишь оправдание внутреннего коренного несоответствия ранее созданного ПО новым технологиям, трудностям, связанным с переквалификацией разработчиков, коммерческими интересами и т. д. Преднамеренное лоббирование устаревших или персонализированных технологий в производственной и образовательной сферах ИТ лишает создателей

ПО малейшей возможности качественной модернизации в соответствии с запросами современной науки и техники. Операционные системы являются на сегодня главными консервативными программными решениями, диктующими свои правила при создании прикладного программного обеспечения. В данной статье, на примере распределенного виртуального пространства для многопользовательского защищенного взаимодействия в реальном времени рассматриваются принципы и стратегии создания открытой операционной системы, а также возможные сценарии ее технического исполнения.

1. Виртуальное пространство для многопользовательского защищенного взаимодействия "Крестьянство" [1|

Цель проекта, поддержанного Российским фондом фундаментальных исследований. - создание виртуального пространства для многопользовательского защищенного взаимодействия, которое обеспечит синхронную работу над объектами определенной доменной области в реальном