СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗОН ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РИСКА НА ОСНОВЕ ДАННЫХ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD TO DETECT ZONES OF GEODYNAMIC RISK BASED ON DATA OF RADIOLOCATING PROBING OF EARTH SURFACE

Изобретение относится к области горно-экологического мониторинга земной поверхности в зонах геодинамического риска и горно-геологического обоснования застройки месторождений полезных ископаемых.
В настоящее время контроль над разработкой месторождений полезных ископаемых регламентируется законом «О недрах» и лицензионными соглашениями с добывающими компаниями. В соответствии со статьей 22 указанного Закона пользователь недр обязан обеспечить ведение геологической, маркшейдерской и иной документации в процессе всех видов пользования недрами и ее сохранность. Проведение комплекса геологических, маркшейдерских и иных наблюдений регламентируется нормативным документом РД 07-603-03 «Инструкция по проведению маркшейдерских работ» [1]. Для наблюдений за деформациями земной поверхности, за устойчивостью бортов карьеров, отвалов вскрышных пород, дамб обвалования, а также гидроотвалов, шламо- и хвостохранилищ создаются специальные геодинамические полигоны. Наземные геодезические измерения, выполняемые на пунктах геодинамических полигонов, позволяют достичь точности определения вертикальных смещений реперов в 2 мм.
Известен способ определения смещений земной поверхности и небольших деформаций земной коры при помощи радиолокаторов с синтезированной апертурой [2]. Преимуществом радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны 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 радиолокатора. Однако способ [2] не обеспечивает точности, достигаемой при помощи наземных геодинамических измерений на пунктах геодинамических полигонов. Проведенные исследования [3] показывают, что точность расчета смещений, определяемых при помощи способа [2], составляет 4 см, но условия съемки, состояние земной поверхности и атмосферы способны существенно снизить точность результирующих смещений.
Существует способ радиолокационных измерений смещений в городских районах в зонах, подверженных оползням [4]. Данный способ основан на обработке амплитудно-фазовых измерений отражения радиолокационного сигнала от стабильных отражающих объектов на земной поверхности. В способе [4] такими стабильными отражающими объектами являются здания и сооружения, которые сохраняют высокий уровень обратного отражения радиолокационного сигнала в течение длительного времени (более трех лет). Используемый метод обработки позволяет достигать точности определения смещений в 1 мм и менее подвержен влиянию изменений условий съемки, состояния земной поверхности и атмосферы. Однако способ [4] применим только для районов городской застройки, где плотность стабильных отражающих объектов (элементы зданий и сооружений) достигает 500 на квадратный километр. На разрабатываемых месторождениях полезных ископаемых и в районах, планируемых к застройке промышленными объектами, плотность расположения техногенных объектов неравномерна и для некоторых участков может быть нулевой.
Известен способ мониторинга опасных карстовых и/или оползневых участков магистральных трубопроводов, железных и автомобильных дорог [5], включающий установку пассивных искусственных отражателей радиолокационного сигнала и периодический контроль изменения положения отражателей. В качестве пассивных искусственных отражателей используются специально сконструированные уголковые отражатели. Вследствие особенностей конструкции уголковые отражатели дают стабильно высокий уровень обратного отражения радиолокационного сигнала в течение всего времени установки.
Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности и достигаемому результату является способ мониторинга смещений земной поверхности и деформаций сооружений на территории месторождений полезных ископаемых [6]. Способ [6] включает радиолокационное зондирование отражателей радиолокационного сигнала. При этом плотность размещения на местности искусственных отражателей радиолокационного сигнала, специально устанавливаемых на земной поверхности, выбирают не менее одного искусственного отражателя на площадь одного кадра радиолокационного космического зондирования. Однако установка на исследуемой территории уголковых отражателей, используемых в способах [5, 6], на длительный срок, особенно в труднодоступных северных районах, представляется трудоемким процессом. Кроме того, в соответствии с [7] для отслеживания небольших деформаций основание уголкового отражателя так же как и грунтового репера должно располагаться не менее чем на 250 см ниже уровня земной поверхности. Использование уголковых отражателей ведет к удорожанию работ с применением способов, раскрытых в прототипах в связи со сложностью установки, которая позволила бы отследить миллиметровые смещения земной поверхности.
Недостатком способа [6] является необходимость проведения синхронных подспутниковых GPS-наблюдений, используемых для калибровки цифрового поля смещений по результатам радиолокационного космического зондирования с помощью дифференциальной интерферометрической обработки. Проведение подспутниковых наблюдений, включающих установку искусственных отражателей и GPS-наблюдения, ограничивает область применения способов [5, 6] только мониторингом месторождений полезных ископаемых и опасных карстовых или оползневых участков магистральных трубопроводов, железных и автомобильных дорог. Применяя способы [5, 6] невозможно отследить смещения, произошедшие за прошлые годы.
Обработка архивных разновременных радиолокационных данных позволяет отследить изменение высот земной поверхности (просадки, подъемы), произошедшие за предыдущие годы. Небольшие вертикальные смещения участков земной поверхности амплитудой 2-3 мм способствуют накоплению напряжения в зонах разломов, приводя к локальным интенсивным вертикальным и горизонтальным движениям земной поверхности. Высокоамплитудные вертикальные смещения (просадки, подъемы) земной поверхности 30-50 мм/год сопровождаются процессами уплотнения и разуплотнения, которые в настоящее время отслеживаются при помощи гравиметрических измерений на местности.
Участки земной поверхности, на которых при помощи нивелировки и гравиметрии зафиксированы однонаправленные медленно протекающие или высокоамплитудные смещения, выделяются как зоны повышенного геодинамического риска.
Техническим результатом настоящего изобретения является способ обнаружения зон геодинамического риска на основе данных радиолокационного зондирования земной поверхности, путем использования многовременных архивных и планируемых радиолокационных изображений среднего и высокого пространственного разрешения, выполняют интерферометрическую обработку точечных амплитудно-фазовых измерений радиолокационного, отраженного от стабильных отражающих объектов на земной поверхности, анализируют скорости смещений и временные ряды смещений, полученные по результатам обработки, и определяют зоны наибольших просадок при геодинамическом мониторинге зданий, сооружений и разрабатываемых месторождений полезных ископаемых.
При применении заявленного способа архивные и планируемые радиолокационные изображения выбирают так, чтобы съемка производилась с повторных орбит космического аппарата, и на исследуемую территорию приходилось не менее 10 радиолокационных кадров. Рассчитывают смещения техногенных объектов и элементов микрорельефа земной поверхности на основе метода интерферометрии постоянных радиолокационных отражателей [8]. На основе корреляционного анализа временных рядов смещений отдельных точек и цифрового поля скоростей смещений выделяют группы однонаправленно движущихся объектов. Методика обработки многовременных спутниковых радиолокационных данных путем интерферометрической обработки и корреляционного анализа результатов позволяет обнаруживать существующие зоны повышенного геодинамического риска и осуществлять их дальнейший мониторинг.
Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения зон геодинамического риска на основе данных радиолокационного зондирования земной поверхности, заключающемся в том, что используя интерферометрическую обработку многовременных спутниковых радиолокационных данных, рассчитывают смещения земной поверхности и выделяют зоны повышенного геодинамического риска, отличие состоит в том, что обработку проводят на основе архивных и оперативно принимаемых радиолокационных данных, способ не требует проведения наземных измерений и установки искусственных отражателей радиолокационного сигнала, поэтому применение способа не ограничивается мониторингом, а позволяет осуществлять обнаружение существующих зон геодинамического риска.
Суть способа.
Проведение горно-геологического обоснования является необходимым при обустройстве и разработке месторождений полезных ископаемых и способствует обеспечению безопасной эксплуатации и охране недр. Итогом горно-геологического обоснования является разрешение на застройку территории лицензионного участка или горного отвода месторождения полезных ископаемых линейными и площадными объектами строительства. Строительство и эксплуатация объектов высокого уровня ответственности, таких как электростанции, магистральные нефтегазопроводы, объекты гражданского назначения требует обязательного анализа и учета специфики геолого-тектонических условий при выборе площадок на предпроектной стадии [9]. В процессе разработки месторождений полезных ископаемых для поддержания геодинамической и промышленной безопасности объектов, расположенных в площади горного отвода, выполняют горно-экологический мониторинг. Описанные выше изыскания, выполняемые на предпроектной стадии и в процессе эксплуатации, требуют проведения наземных геодезических измерений, которые являются трудоемкими и финансово затратными. Использование данных дистанционного зондирования позволяет сократить объем наземных геодезических измерений и получить оценки смещений для территорий, не охваченных наземными измерениями.
Возможности спутниковых радиолокаторов позволяют получать изображения земной поверхности с полосой захвата 100 км. Данная возможность дает неоспоримое преимущество при оценке влияния соседних участков на исследуемую территорию. Для обработки используют не менее 10 радиолокационных кадров. Интервал наблюдения должен составлять не менее трех лет.
Выполняют интерферометрическую обработку многопроходной радиолокационной съемки по методу, описанному в [8]. Выбор стабильных отражающих объектов осуществляют на основе индекса дисперсии амплитуды, предложенного в [8], по следующей формуле:
ν
А
А
А
где σ - дисперсия фазы, σ - дисперсия амплитуды, m - среднее значение амплитуды, D - индекс дисперсии.
Пороговое значение для выбора стабильных отражающих объектов устанавливают 0,5 вместо предложенного в [8] 0,25, что позволяет использовать в обработке измерения радиолокационного сигнала не только от техногенных объектов, но и от элементов микрорельефа земной поверхности.
Для выбранных стабильных отражателей выполняют обработку фазовых измерений для целей выделения фазовой компоненты, зависящей от смещений
, на основе формулы:
T
T
T
T
T
ξ
η
Φ=a1+pξ+pη+Bq+Tν+E,
где a - постоянное значение фазы,
,
- линейные коэффициенты изменения фазы вдоль направления азимута
и наклонной дальности
вследствие атмосферных и орбитальных смещений,
- расстояния между пролетами спутника,
- высоты точек,
- периоды времени между радиолокационными съемками,
- фазовый шум.
Полученные точки со значениями смещений группируют на основе корреляции временных рядов смещений по следующей формуле:
где А, В - временные ряды для двух точек.
Точки относятся к одной группе, если значение корреляции временных рядов смещений для них не менее 0,9. Отражающие объекты, образующие группу, в течение всего интервала наблюдений смещаются одинаково между последовательными радиолокационными съемками, следовательно, передают движение участка земной поверхности, на котором они расположены. Группировка на основе значения корреляции временных рядов смещений дополнительно позволяет исключить из результирующего множества точки с высокой погрешностью расчета.
Основным фактором, влияющим на точность расчета смещений, является длина перпендикулярной составляющей базовой линии (расстояние между антенной радиолокатора при повторных съемках). Для некоторых радиолокационных спутников, например ALOS, колебания длины базовой между повторными съемками могут достигать 10 км и смещения, полученные методом интерферометрии стабильных отражателей, будут иметь значительную погрешность. При этом возможно использование данных большего числа радиолокационных спутников и данных съемок с большего числа повторных орбит за счет уменьшения негативного влияния длины базовой линии на точность расчетов смещений.
Обнаружение зон геодинамического риска выполняют на основе анализа цифрового поля скоростей смещений и диаграмм временных рядов смещений, усредненных для сгруппированных точек. Выделяют районы, содержащие близкорасположенные группы объектов, движущиеся разнонаправленно. Выделяют группы точек, имеющие высокую среднегодовую скорость смещений.
При проведении на исследуемой территории горно-экологического и технического мониторинга с применением наземных геодезических измерений результаты интерферометрической обработки проверяют путем сравнения с материалами интерпретации смещений, зафиксированных геодезическими методами. Сравнивают величины скоростей смещений, обнаруженные по данным радиолокационного зондирования и по наземным геодезическим измерениям.
Используя способ обнаружения зон геодинамического риска на основе данных радиолокационного зондирования земной поверхности, наземные измерения можно проводить не чаще одного раза в два года, а в промежутках использовать результаты обработки радиолокационных данных.
Таким образом, способ обнаружения зон геодинамического риска на основе данных радиолокационного зондирования земной поверхности позволяет увеличить среднюю точность скоростей смещений за счет исключения точек с высокой погрешностью; выделить группы объектов, движущихся однонаправленно и, следовательно, передающих общее движение участка земной поверхности.
Способ осуществляют следующим образом.
Определяют территорию, для которой необходимо провести оценку смещений земной поверхности и обнаружить зоны повышенного геодинамического риска, если они существуют на данной территории. Планируют многопроходную радиолокационную съемку исследуемой территории с повторных орбит и пригодную для интерферометрической обработки. Из результатов радиолокационной съемки выбирают не менее 10 кадров на данную территорию, снятых с повторных орбит космического аппарата. Выполняют обработку многопроходной радиолокационной съемки по методу интерферометрии стабильных отражателей. Полученные в результате точечные измерения скоростей смещений группируют на основе значения корреляции временных рядов смещений. Анализируя средние скорости смещений сформированных групп точек, выделяют зоны максимальных просадок и подъемов. При наличии материалов наземных геодезических измерений расчетные скорости смещений проверяют на основе смещений, зафиксированных на пунктах измерений для получения абсолютных значений.
Пример 1.
Способ обнаружения зон геодинамического риска на основе данных радиолокационного зондирования земной поверхности был использован при проведении горно-экологического мониторинга горного отвода Самотлорского нефтяного месторождения. В обработке использованы 18 радиолокационных кадров ALOSVPALSAR, снятых за 2007-2011 годы. Результирующие смещения скорректированы и проверены на основе материалов ежегодных геодезических измерений на пунктах Самотлорского геодинамического полигона, выполняемых с 2003 года. По результатам обработки данных радиолокационного зондирования земной поверхности обнаружена зона повышенного геодинамического риска, образовавшаяся вследствие извлечения углеводородов. Точки измерений, соответствующие стабильным отражающим объектам на земной поверхности и выделенные в группу на основе корреляционного анализа, представлены на фиг.1. На фиг.1 цифрами обозначены зоны геодинамического риска: 1 - зона, связанная с мульдой оседания, образовавшейся на месторождении (средняя скорость смещений - 9 мм/год), 2 - зона, также связанная с мульдой оседания, но имеющая аномально большую величину просадки (средняя скорость смещений - 16 мм/год), 3 - зона, расположенная в границах города Нижневартовск (средняя скорость смещений - 6 мм/год), 4 - группа точек, выделенная в восточной части территории Нижневартовской ГРЭС (средняя скорость смещений+2 мм/год), 5 - зона, расположенная в западной части территории Нижневартовской ГРЭС (средняя скорость смещений - 4 мм/год). Группы точек 4 и 5 в увеличенном масштабе приведены на фиг.2. Группы точек 4 и 5 имеют разнонаправленные движения, и граница между ними проходит по территории Нижневартовской ГРЭС.
Диаграмма динамики смещений от даты съемки, усредненная для группы точек 1, представлена на фиг.3. Полученные результаты подтверждаются материалами интерпретации высокоточных геодезических измерений на пунктах Самотлорского геодинамического полигона. Точность скоростей смещений, полученных на основе обработки данных радиолокационного зондирования, рассчитанная с использованием смещений, зафиксированных на пунктах геодинамического полигона, составляет 4 мм/год.
Пример 2.
Способ обнаружения зон геодинамического риска на основе данных радиолокационного зондирования земной поверхности был использован при проведении горно-экологического мониторинга горного отвода Губкинского газового месторождения. В обработке использованы 11 радиолокационных кадров ALOSVPALSAR, снятых за 2007-2011 годы. На пунктах Губкинского геодинамического полигона не выполняются ежегодные геодезические измерения, поэтому результаты основаны только на обработке данных радиолокационного зондирования земной поверхности. Зона геодинамического риска, обнаруженная по данным радиолокационного зондирования, расположена севернее города Пурпе. Анализ карт отбора газа и толщин подъема газо-водяного контакта, построенных на основе инструментальных наземных измерений, показывает, что мульды сдвижения за 2007-2011 года, определенные методом многопроходной радарной интерферометрии, хорошо коррелируются с величинами объема отобранного газа и подъемом уровня газоводяного контакта.
Таким образом, представленные примеры применения способа обнаружения зон геодинамического риска на основе данных радиолокационного зондирования земной поверхности подтверждают возможность обнаружения зон геодинамического риска, а также возможность определения скоростей смещений участков земной поверхности, с точностью не хуже 5 мм/год.
Перечень графических иллюстраций применения предлагаемого способа.
Фиг.1. Зоны геодинамического риска, обнаруженные на Самотлорском месторождении по результатам обработки данных радиолокационного зондирования ALOSVPALSAR за 2007-2011 годы.
Фиг.2. Зоны геодинамического риска, обнаруженные на территории Нижневартовской ГРЭС в увеличении.
Фиг.3. Диаграмма усредненных смещений стабильных отражающих объектов группы 1 фиг.1.
Литература:
1. РД 07-603-03 Инструкция по проведению маркшейдерских работ. Введ. 2003-06-29. М.: НТЦ «Промышленная безопасность», 2004. 50 с.
2. Патент США №4975704, Кл. G01S 13/19, опубл. 4.12.1990. Способ определения смещений земной поверхности и небольших деформаций земной коры при помощи радиолокаторов с синтезированной апертурой.
3. Евтюшкин А.В., Филатов А.В. Оценка деформаций земной поверхности в районах интенсивной нефтедобычи Западной Сибири методом РСА интерферометрии по данным ENVISAT/ASAR и ALOSVPALSAR // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2009. Т.6. №2. С.46-53.
4. Патент Италии №Е1.99.001.А, опубл. 29.05.1999. Способ радиолокационных измерений смещений в городских районах в зонах, подверженных оползням.
5. Патент РФ №2333506, Кл. G01S 5/02, опубл. 10.09.2008. Способ мониторинга опасных карстовых и/или оползневых участков магистральных трубопроводов, железных и автомобильных дорог.
6. Патент РФ №2446411, Кл. G01S 5/02, опубл. 29.05.2009. Способ мониторинга смещений земной поверхности и деформаций сооружений на территории месторождения полезных ископаемых.
7. ГКИНП (ГНТА)-03-010-02 Инструкция по нивелированию I, II, III, IV классов. Введ. 2003. М.: ЦНИИГАиК, 2003. 135 с.
8. Ferretti A., Prati С., Rocca F. Permanent scatterers in SAR interferometry // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2001. V.39. Is.1. P.8-20.
9. Васильев Ю.В., Юрьев М.Л., Трушин В.Д., Шатилин А.Ю., Филатов А.В. Проблемы обеспечения геодинамической безопасности Нижневартовской ГРЭС // Маркшейдерский вестник, 2012. №3. С.50-54.