Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
Мусихин Василий Владимирович
МОНИТОРИНГ ПРОЦЕССОВ ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В РАЙОНАХ ИНТЕНСИВНОГО НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ КОСМИЧЕСКОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Специальность 25.00.16 Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Пермь - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Кашников Юрий Александрович зав. кафедрой МДГиГИС ФГБОУ ВПО ПНИПУ
Официальные оппоненты: Сашурин Анатолий Дмитриевич заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом геомеханики ФГБУН Институт горного дела УрО РАН Евтюшкин Аркадий Викторович кандидат физико-математических наук, доцент, зав. лабораторией мониторинга и обработки данных дистанционного зондирования ФГАОУ ВПО Балтийский федеральный университет им. И. Канта
Ведущая организация: ОАО "Галургия" (г. Пермь)
Защита состоится л 14 декабря 2012 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 004.026.01 при ФГБУН Горный институт Уральского отделения РАН по адресу: 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, 78а.
Тел./факс +7 (342) 216-75-05. E-mail: bba@mi-perm.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Горного института УрО РАН.
Автореферат разослан л 13 ноября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Бачурин Б.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы: Одним из результатов все более интенсивного освоения недр стало глобальное изменение экологической и геодинамической безопасности природной среды. Известно, что интенсивная добыча полезных ископаемых привела к увеличению нагрузки на недра и, как следствие, к изменению напряженно-деформированного состояния (НДС) весьма значительных объемов горных массивов с неблагоприятными последствиями для окружающей природной среды. В процессы деформирования горных пород и земной поверхности вовлекаются все большие и большие территории, при этом деформации, возникающие вследствие неравномерных оседаний и горизонтальных сдвижений, могут повлечь аварийные ситуации, которые, в свою очередь, не только могут нанести вред окружающей среде и режиму работы предприятия, но также и человеческим жизням. В связи с этим, вопросы мониторинга процессов деформирования земной поверхности в регионах с интенсивной техногенной нагрузкой на недра приобретают все более актуальное значение.
В настоящее время мониторинг деформационных процессов больших территорий осуществляется, как правило, традиционными маркшейдерскогеодезическими методами, такими как высокоточное нивелирования и высокоточные спутниковые наблюдения. Эти методы, являясь своего рода эталонными, требуют больших материальных и временных затрат. Кроме того, оперативность получения информации на основе данных методов является достаточно низкой, т.к. для получения информации о динамики развития деформационных процессов требуется выполнение постоянных серий наблюдений и постоянная постобработка их результатов.
Метод мониторинга процессов оседаний с использованием данных радиолокационной съемки с синтезированной апертурой начал свое развитие более чем 17 лет назад. Данный метод дает преимущество перед классическими методами мониторинга сдвижений, такими как нивелирование и метод глобального позиционирования, в гораздо большей площади охвата интересующей производство и исследователя территории. В последние годы данный метод начинает приобретать популярность и в нашей стране. В частности, исследования применимости данного метода для мониторинга значительных по площади территорий были начаты в 2007 году в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ). Исследование вопросов, касающихся получения качественных результатов мониторинга сдвижений земной поверхности на основе интерферометрической радиолокационной съемки представляется актуальным и составляет основу настоящей диссертации.
Цель работы - разработка теоретических и практических основ мониторинга районов с интенсивной нагрузкой на недра по результатам интерферометрической обработки данных космического радиолокационного зондирования.
Идея работы заключается в разработке комплексного подхода для получения точных данных об оседаниях точек земной поверхности с использованием данных космического радиолокационного зондирования.
Задачи исследований:
1. Обоснование методов решения проблемы определения наиболее достоверных величин сдвижений земной поверхности на основе спутниковой радарной интерферометрии;
2. Определение оседаний земной поверхности для конкретных регионов методом спутниковой радарной интерферометрии;
3. Разработка обобщенной методики определения оседаний земной поверхности районов с интенсивной нагрузкой на недра по результатам интерферометрической обработки данных космического радиолокационного зондирования.
Методы исследований включали сопоставление результатов оседаний, полученных методами интерферометрической обработки радарных данных, и точечного анализа постоянных отражателей на основе радарной космической съемки с данными традиционных высокоточных геодезических методов; статистическую обработку радарных данных; аналитические исследования по повышению точности получаемых оседаний.
Научные положения, защищаемые в работе.
1. Алгоритм выявления остаточных фаз в сценах, основанный на строго последовательной компоновке интерферограмм для точечного анализа, как инструмент определения погрешности вычисленных величин оседаний.
2. Методика оценки и исключения грубых ошибок развертывания фазы в интерферограмме, основанная на применении замыкающихся цепочек расчетов, обеспечивающая контроль надежности обработки результатов мониторинга.
3. Методическая схема учета комплекса факторов (плотности точек, скорости процессов оседаний, необходимой точности результатов), позволяющая получать надежные и достоверные сведения об оседаниях земной поверхности в результате мониторинга методом радарной интерферометрии.
Научная новизна работы.
1. Разработан метод обработки данных интерферометрической космической радиолокационной съемки, позволяющий выявлять величины оседаний больших площадей техногенно нагруженных территорий с вычисленной погрешностью, не уступающей высокоточным геодезическим методам.
2. Установлено, что интерпретация графиков колебаний точек на основе интерферограмм позволяет выявить фактическое относительное высотное положение точек местности в любой момент во время серии космической интерферометрической съемки.
3. Доказано, что два и более строго последовательных решения для точечного интерферометрического анализа позволяют оценивать и исключать влияние грубой ошибки развертывания фазы в интерферограмме, и ошибки, связанной с влиянием атмосферы, и как следствие повышать качество и надежность сведений об оседаниях.
Практическая значимость.
Использование данных радиолокационной космической съемки дает возможность оперативного выявления участков концентрированных деформаций земной поверхности и организации в этих зонах детальных высокоточных маркшейдерско-геодезических наблюдений. Мониторинг оседаний земной поверхности методом радиолокационной интерферометрии может быть успешно использован при прогнозировании мест возникновения опасных природнотехногенных явлений. Высокая частота цикличности интерферометрического мониторинга дает возможность наиболее детально и оперативно отслеживать изменения скоростей оседаний земной поверхности с оценкой точности выполненных расчетов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается высокой корреляцией результатов оседаний земной поверхности, полученных на основе интерферометрической обработки радиолокационных данных, с данными точного нивелирования тех же объектов наблюдений; соответствием выявленных зон оседаний с картами выработанного пространства и картами падения пластового давления; использованием общепризнанных методик обработки радиолокационных изображений и построения интерферограмм;
высокими оцененными характеристиками точности и погрешности проделанных расчетов.
Реализация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы реализованы в научных и хоздоговорных работах по оценке деформированного состояния земной поверхности на территории Верхнекамского месторождения калийных и калийно-магниевых солей (ОАО Сильвинит), Астраханском газоконденсатном месторождении, Жирновском и Кулешовском нефтяных месторождениях, на нефтепроводных системах ОАО Нарьянмарнефтегаз, а также в ходе выполнения работ по двум международным грантам с Отделом научного сопровождения TerraSAR-X Германского центра авиации и космонавтики.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались в рамках научного сотрудничества между ПНИПУ и Техническим университетом г. Брауншвейга в Институте геодезии и фотограмметрии (Брауншвейг, Германия, 2012 г.), на международной конференции Современные проблемы геомеханики, геотехнологии, маркшейдерии и геодезии при разработке месторождений полезных ископаемых и освоении подземного пространства (Санкт-Петербург, 2011), на III международной конференции Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений (Екатеринбург, 2010), всероссийской конференции Новые технологии в маркшейдерии и недропользовании (Пермь, 2010), научно-технических семинарах кафедры Маркшейдерского дела, геодезии и геоинформационных систем ПНИПУ, региональной научнопрактической конференции с международным участием Геология и полезные ископаемые Западного Урала (Пермь, 2012), всероссийской научнотехнической конференции с международным участием Глубокие карьеры (Апатиты, 2012), в ОАО НК РОСНЕФТЬ, ООО Газпром добыча Астрахань, ОАО Нарьянмарнефтегаз, ОАО РН-Самаранефтегаз, ОАО Сильвинит.
Публикации По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем работы и ее структура Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения;
содержит 146 страницы машинописного текста, включая 57 рисунков, 1 таблицу и список использованной литературы из 133 наименований.
Автор выражает признательность своему руководителю профессору, доктору технических наук Кашникову Юрию Александровичу за постоянное внимание к работе и организацию исследований в области радарной интерферометрии, а также всем коллегам кафедры МДГиГИС ПНИПУ, которые приняли активное и доброжелательное участие в проведении данных исследований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Состояние изученности вопроса и задачи исследований Идею использования смещения фазы в отраженном сигнале данных дистанционного радиолокационного зондирования для интерференции впервые высказал Д. Ричман (США) в 1971 г. Однако первые практические результаты по предложенной методике были получены только в 1986-1989 гг. исследователями Р.М. Голдстейном и Х.А. Зебкером. По полученным результатам исследований были сформированы определенные требования к точности орбиты и работе аппаратуры космических аппаратов (КА) с синтезированной апертурой.
После серии успешного использования КА с синтезированной апертурой в 90-х годах (КА ERS-1) первой опубликованной работой об использовании дифференциальной интерферометрии была работа Д. Массоннета в 1993 г., в которой были оценены смещения земной поверхности после землетрясения. Исследования по прикладному применению дифференциальной интерферометрии для оценки деформационных процессов были инициированы А.К. Гэбриэлом. В конце 90-х годов, среди прочих вышедших работ, основанных на положительном опыте в области применения радарной интерферометрии, следует отметить книгу 2001 г. Рэймона Ханнсена, в которой были описаны основные теоретические подходы, ориентированные на применение радиолокационной съемки в целях выявления смещений земной поверхности.
На основе изложенных теоретических аспектов в начале 2000-х годов развивалось программное обеспечение, идеей которого было прикладное использование данных радиолокационной съемки для решения конкретных производственных и исследовательских задач по выявлению деформационных процессов земной поверхности. Наиболее успешными в достижении данной задачи оказались специалисты из Швейцарии У. Вегмюллер и Ч. Вернер, а так же их коллеги Ф. Холес и П. Паскали. Следует отметить, что на территории Европы на сегодняшний день ведутся интенсивные исследования применения данного метода для мониторинга подрабатываемых территорий (В. Буш, Д. Вальтер, Т. Строззи и др.).
В России интерес к использованию данного метода оценки деформационного состояния массива возник в 2006-07 гг. Этому способствовала, среди прочего, необходимость мониторинга г. Березники, которая возникла вследствие аварийного затопления БКПРУ-1, горные выработки которого находились под районом городской застройки. Изучением проблемы оперативного мониторинга данного региона с применением радарной интерферометрии тогда занялся Горный институт УРО РАН (г. Пермь) совместно с Техническим университом г. Клаусталя (Германия) под руководством проф. А.А. Баряха (Россия) и проф.
В. Буша (Германия). Одним из инициаторов продвижения данного метода мониторинга на территории России стал заведующий каф. МДГиГИС ПНИПУ проф. Ю.А. Кашников.
Исследования в области применения метода радарной интерферометрической съемки в России во второй половине 2000-х годов производили ученные из ООО Газпром ВНИИГАЗ - проф. Ю.Б. Баранов и др., исследователи Компании Совзонд - Ю.И. Кантемиров и др. В настоящее время работы по определению оседаний земной поверхности методом радарной интерферометрической съемки ведутся преимущественно в исследовательских целях. Единая методика производства обработки данных радиолокационного зондирования, требования к радиолокационным данным, критерии оценки точности выявленных оседаний на сегодняшний момент остаются непроработанными вопросами, из-за чего отношение к методу с точки зрения достоверности полученных результатов остается неоднозначным в научно-производственной среде маркшейдерского и геодезического сообщества.
Влияние различных факторов на получение качественной интерферограммы в процессе обработки результатов измерений Принцип определения оседаний земной поверхности основывается на разности фаз двух циклов радиолокационной съемки в конкретной точке. Разница фаз двух циклов съемки будет равна нулю в случае отсутствия движения поверхности, и не будет равна нулю при наличии смещений поверхности в искомой точке.
В случае реализации данного процесса на практике при определении оседаний земной поверхности, возникают ошибки, обусловленные рядом факторов, существенно снижая качество данных. На получение качественной интерферограммы влияют ошибки, содержащиеся в исходных сценах, и ошибки, касающиеся совместной обработки двух сцен для получения интерферограммы.
Исходя из способа получения информации, содержащейся на сценах, и разделения процессов (интерферометрической съемки) во времени, можно выделить факторы, сопровождающие процесс получения сцен на основе радарной съемки в момент непосредственного получения данных космического аппарата (КА), и в момент обработки радарных данных.
Ошибки, входящие в состав полученных данных в момент съемки можно разделить на инструментальные (внутренние), и объектные (внешние). К инструментальным ошибкам можно отнести ошибки, вызванные техническими возможностями аппаратуры. Такие ошибки проявляют себя как фазовый шум изображения. Учитывая систематический характер ошибок в фазе, обусловленный шумом, среднее значение фазы остается наиболее приближенным к истинному значению. Устраняются такие ошибки за счет пространственного сглаживания фазы (или площадной фильтрации).
К внутренней ошибке сцены еще можно отнести ошибку азимутального сжатия. Данная ошибка пропорциональна расстоянию исследуемой точки от опорной точки и используемому количеству исходных сцен. Влияние ошибки на сцене можно рассчитать по формуле:
(1) где - удаление точки от опорной в пикселях по азимуту, - количество используемых сцен в расчете. Значение 4,1*10-5 - экспериментально вычисленная удельная ошибка азимутального сжатия в точке.
Ошибки внешнего рода, содержащиеся в фазе записанного сигнала, проявляются также в виде шума, который здесь будет обусловлен, влиянием различного излучения в микроволновом диапазоне.
С точки зрения содержащейся в фазе отраженного сигнала информации о земной поверхности, наибольшее влияние на него будет оказывать ошибка, обусловленная влиянием атмосферы. Ошибка в фазе, отнесенная к атмосферному влиянию, возникает за счет неодинаковой задержки фазы в среде на сцене. А именно, к возникновению ошибок приводят такие факторы, как неравномерное распределение атмосферного давления, влажности, облачности, дождевых облаков в плане, а также фактор гравитационных волн.
Ошибки в интерферограммах (при совместной обработке сцен) возникают за счет сложения ошибок в сценах и ошибок совместной обработки сцен.
Фаза в точке дифференциальной интерферограммы будет изменена относительно фазы интерферограммы на величину поправок, вносимых за влияние рельефа, базиса, атмосферного влияния и шума (2).
(2) Вторичные фазовые составляющие - атмосферное влияние и шум, отнесены к ошибкам в сценах. Их влияние будет складываться на этапе интерпретации данных. Для окончательного формирования величины фазы также большое значение оказывает порядок развертки фазы.
Погрешность неточного базиса превращает плоскость интерферограммы в наклонный вид. Общее влияние ошибки базиса можно найти по формуле (3):
(3) где - изменение высоты точки относительно изменения базиса, при удалении зондирования на величину R и удалении искомой точки в плане от опорной точки на величину.
Ошибка влияния рельефа возникает из-за разной линейной проекции двух радарных изображений на интерферограмме. Распределение таких ошибок будет зависеть от отклонения точек по высоте от средней плоскости опорной точки. Значение фазы возвращенного сигнала для одной сцены будет равняться (4).
4Bn = z (4) R sin Дифференциальные интерферограммы в процессе развертывания фазы приобретают значения фактических разностей абсолютных отметок за цикл наблюдений. Абсолютные смещения земной поверхности могут превышать значения длины фазы. В этом случае последовательное чередование нескольких фазовых полос позволяет выделить значения смещений любой величины, независимо от длины волны используемых данных. В случае использования точечного анализа, для локально расположенных точек, проблема установления порядка волн решается с помощью метода кратчайших расстояний фазовых точек по сети триангуляции. В этом случае порядок фаз для локальных точек определяется из соответствующего значения фазы волны групп ближайших точек.
Ошибки, которые могут возникать в процессе развертывания фазы, кратны 2.
В результате применения описанных теоретических основ использования дифференциальной радарной интерферометрии на практике исследований объектов техногенно нагруженных территорий могут возникать некачественные результаты, обоснованные влиянием следующих факторов: плохой корреляцией данных, обусловленной плохой когерентной характеристикой района; невозможностью производства съемки в зимний период; сильным неоднородным влиянием атмосферы на задержку фазы; ограничением к базисам съемки в условиях, когда реальные базисы КА значительно превышают предельную величину; необходимой избыточностью измерений, которая не всегда правильно обосновывается; невозможностью использования данных одного КА из-за его непродолжительного срока службы относительно общего периода многолетних наблюдений; невозможностью правильной оценки ошибки развертывания фазы в условиях больших интервалов съемки. В связи с этим, исследования автора направлены на устранение негативных последствий, вызванных перечисленными факторами путем использования усовершенствованных методик по интерферометрической обработке данных радиолокационного зондирования земли.
Использованные системы мониторинговых наблюдений за деформациями техногенно нагруженных территорий С 2008 г. по 2010 г. в Пермском национальном исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) выполнялись работы по выявлению зон оседаний в ряде проектов с использованием данных космического радиолокационного зондирования КА ENVISAT. В данных проектах использовалось от 11 до 27 циклов съемок наблюдаемой территории на следующих объектах:
Илецкое месторождение каменной соли (г. Соль-Илецк), Верхнекамском месторождении калийных солей (ОАО Сильвинит), Кулешовское месторождение нефти (Самарская обл.), Жирновское месторождение нефти (Волгоградская обл.), Астраханское газоконденсатное месторождение (АГКМ), месторождение Северные Бузачи (Казахстан). Полученные результаты работ показали, что метод комплексной интерферометрической обработки, основанный на усреднении результатов дифференциальной интерферометрии, позволяет определять оседания земной поверхности техногенно нагруженных территорий. Для примера на рис.1 представлены оседания на АГКМ.
Профильная линия нивелирования 2 класса (от реп.5 до реп. 9) Рисунок 1 - Карта оседаний на Астраханском газоконденсатном месторождения с 2008 по 2010 гг. (значения оседаний показаны в метрах) В работе по оценке деформированного состояния земной поверхности Астраханского газоконденсатного месторождения достоверность полученных результатов была проверена за счет совмещения данных профильных линий на карте оседаний земной поверхности по результатам радарной интерферометрии, с данными соответствующих профильных линий нивелирования II класса.
Среднеквадратичные отклонения оседаний, полученные двумя способами, составили 4,8 мм для профильной линии реп. 5 - реп. 9 (рис. 2).
Однако анализ полученных материалов показал, что отдельные результаты работы не были достоверными с точки зрения объективной точности определения величин оседаний. Основные ошибки были связаны с атмосферным влиянием и неверным развертыванием фазы. Дальнейшие работы в области радарной интерферометрии требовали поиска новых решений в области обработки данных радиолокационного зондирования с целью выявления изменений скоростей оседаний в точках, а также строгого учета влияния атмосферы и установление критерия контроля полученных результатов.
Рисунок 2 - Совмещенный график оседаний на территории АГКМ Идея поиска новых решений для интерферометрической обработки заключалась в усовершенствовании метода промежуточной и окончательной обработки данных, используя потенциал одной интерферограммы, и донесении ее высокой заложенной точности до конечного результата - до карт оседаний.
В 2011 году автором были выполнены работы по мониторингу деформационных процессов земной поверхности территории деятельности ОАО Сильвинит и Астраханского газоконденсатного месторождения с помощью спутниковой радарной интерферометрии, с использованием данных КА TerraSAR-X и Tandem-X. В ходе этих работ были разработаны новые подходы к комплексной обработке данных, основанные на последовательной компоновке интерферограмм, что позволило исключить ошибку, обусловленную влиянием атмосферы, и ошибку развертывания фазы.
В работе по оценке деформированного состояния земной поверхности территории деятельности ОАО Сильвинит был применен метод последовательной компоновки интерферограмм. При данном методе компоновки интерферограмм производилось построение строго последовательной цепочки интерферограмм (например, если A, B, C, D - сцены, то строились следующие интерферограммы A-B, B-C, C-D). Такой подход позволил исключить грубые ошибки в точках, обусловленные атмосферным влиянием на неодинаковую задержку фазы на одной сцене. Такая ошибка влияла только на одну сцену, и ее влияние не распространялось на весь расчет в целом.
Еще одной особенностью работы стало применение дополненной сети точек на территории солеотвалов, которая позволила выявить оседания на солеотвалах со скорость 50-60 см в год, используя данные наблюдений лишь одного сезона.
Ошибки, обусловленные атмосферным влиянием, отсеивались как отклонения от тренда оседаний в точках. Карта среднеквадратичных отклонений содержала ошибки в фазах, отнесенные к влиянию атмосферы на уровне 0,8-1,см. Ошибки интерпретации тренда оседаний, по субъективной оценке проделанной работы не превышают 10% от реальных значений оседаний.
Результатом проделанной работы по интерферометрическому анализу территории деятельности ОАО Сильвинит являлись карты истории оседаний земной поверхности за полный период наблюдений, карта накопленных оседаний за период и карта скоростей оседаний (рис. 3) -8см -4см 0см +4см +8см Рисунок 3 - Фрагмент карты оседаний земной поверхности в точках по результатам комплексной интерферометрической обработки данных (цифрами 1-7 обозначены зафиксированные зоны оседаний, 8 - зона поднятий) Объективная оценка точности результатов интерферометрического анализа на территории ВКМКС в г.Соликамск в 2011 г. была произведена посредством сравнения данных полученных методом радарной интерферометрии в точках с данными, полученными по результатам нивелирования II класса на соответствующих профильных линиях. Пример совмещенного графика вертикальных смещений земной поверхности приведен на рисунке 4.
Оценка графиков профилей оседаний коэффициентом корреляции показала высокое совпадение результатов радарной интерферометрии с результатами наземной нивелировки (r - от 0,57 до 0,95). Наивысший коэффициент корреляции был получен в районах, в которых оседания земной поверхности методом радарной интерферометрии были определены с наименьшей интерполяцией от точек отражателей.
Рисунок 4 - Сводный график оседаний по профильной линии Полученные результаты показали, что алгоритм оценки остаточных фаз в сценах, основанный на строго последовательной компоновке интерферограмм, позволил определить погрешность вычисленных величин оседаний, которая соответствовала фактической погрешности, оцененной наземным нивелированием. Таким образом, было подтверждено первое научное положение настоящей диссертации.
При определении оседаний земной поверхности на территории Астраханского газоконденсатного месторождения был реализован разработанный метод последовательной компоновки интерферограмм, позволяющий исключить ошибку развертывания фазы.
Для компоновки интерферограмм было решено использовать успешно проявивший себя метод строго последовательной компоновки интерферограмм.
Повторное положение орбит КА не позволило выстроить последовательную цепь интерферограмм. На рисунке 5 показана диаграмма базисов съемки с отображенными на ней линиями, по которым строились интерферограммы. Как видно из рисунка 5, интерферометрические пары выбирались только для сцен, которые были созданы с орбит, базис которых не превышал 200 м. Особенность построения интерферограмм по такой замкнутой цепи позволила создать метод контроля невязок для исключения ошибок, связанных с развертыванием фазы.
По такому принципу было построено 17 интерферограмм. Последовательный расчет превышений точек позволил определить невязку сцены от 26/05/20относительно сцены от 18/11/2011.
Последовательные решения трех серий интерферограмм позволили оценить невязку схождения результатов. Выявленные значения невязок в точках были кратны величине 2,8 мм. Такое значение вносила ошибка развертывания фазы на сцене на 2 длины волны при делении результата на три решения. Значения ошибок меньших величин носили систематических характер, обусловленный точностью работы аппаратуры, погрешностями, связанными с фокусировкой радарных данных. Среднее значение невязки составило 2,4 мм. Для дальнейшего расчета отсекались точки с невязкой более 2,3 мм, что дало возможность утверждать о точности полученных данных в пределах этой величины.
Рисунок 5 - Диаграмма базисов съемки территории АГКМ.
Разными линиями показаны три цепочки интерферометрического расчета от сцены 26/05/11 до сцены 18/11/11.
Для получения сглаженного графика тренда оседаний была использована повторная линейная фильтрация с размером окна сглаживания 5 и далее с размером 3. Использование фильтров большего размера для данных, содержащих после обработки 20 значений, было не обоснованно. Остатки значений исходного графика относительно усредненного были отнесены к картам атмосферного влияния на данную территорию на моменты съемок.
Алгоритм оценки и исключения грубых ошибок развертывания фазы в интерферограмме, основанный на применении замыкающихся цепочках расчетов, оказался методом контроля надежности выполняемых расчетов при получении результатов, что является вторым научным положением настоящей диссертации.
В рамках договора с ООО Нарьянмарнефтегаз были выполнены работы по интерферометрической радарной съемке нефтепровода Южное - Хыльчую - Варандей за период с ноября 2010 года по ноябрь 2011 года.
Ранее, попытки оценки оседаний нефтепровода с использованием данных ENVISAT завершались неудачей. В работе использовались материалы съемки с разрешением 1,2 м, поэтому выделение точек нефтепровода для точечного интерферометрического анализа было успешно осуществлено. Еще одной особенностью работы с точки зрения цикличности съемки являлось то, что нулевой цикл съемки был произведен за год до основного мониторинга. Это позволяет в дальнейшем исключить сезонные колебания из расчета, так как начальная и конечная дата наблюдений были одинаковыми.
При построении первичных интерферограмм ожидалось, что изображение чередования разницы волны на них будет случайным - то есть тундра, как отражающая поверхность, не будет способна отобразить вертикальные смещения земной поверхности. Однако на некоторых интерферограммах была зафиксирована исключительная корреляция. Оседания земной поверхности, полученные на данных интерферограммах, не могли быть отнесены к ошибкам в фазе обусловленных атмосферным влиянием, так как зафиксированные зоны оседаний находились в местах, где они, исходя из гидрографической карты, должны были находиться. Выявленная высокая корреляция поверхности тундры может быть практически использована для предварительного выявления опасных мест по геодинамической активности. Цикличность съемки для такой цели должна быть минимальной (11 или 22 дня для данного КА), сезон съемки должен совпадать с бесснежным временем года, количество циклов съемки должно быть не менее 6-8 сцен.
Результаты сравнительного анализа данных об оседаниях, полученных методом радарной интерферометрии и наземным нивелированием (II или III класса) показали хорошую корреляцию: по наблюдениям за оседаниями на АГКМ в 2010 г., и по наблюдениям за оседаниями на ВКМКС в 2011 г. Результаты в этих проектах были получены при условиях, когда описанная методика реализовывалась с наименьшими отклонениями от описанных требований.
Результаты проделанных исследований свидетельствуют, что метод космической радарной интерферометрической съемки позволяет выявлять величины оседаний больших площадей техногенно нагруженных территорий с точностью, не уступающей высокоточным геодезическим методам.
Метод мониторинга оседаний техногенно нагруженных территорий с помощью радарной интерферометрической съемки позволяет выявлять подробную историю оседаний земной поверхности в конкретных точках. На рисунке показаны примеры выявления истории положения точки во времени на основе радарной интерферометрии.
а.
б.
Рисунок 6 - Графики истории оседаний в точках по результатам точечного интерферометрического анализа месторождений ВКМКС за один сезон наблюдений (а) и совмещенный график оседаний в точке с сопоставлением результатов наземной нивелировки за 4 года наблюдений (б) Таким образом, разработанная методика статистической интерпретации графиков колебаний точек на основе интерферограмм позволяет выявить фактическое относительное высотное положение точек местности в любой момент во время серии космической интерферометрической съемки.
Разработка методики комплексной обработки данных и интерпретации результатов радиолокационного зондирования для оценки деформационных процессов на территории с интенсивной нагрузкой на недра Одним из основных требований к методике обработки радиолокационных данных для получения достоверных результатов оседаний земной поверхности является требование удовлетворения ее основным маркшейдерским принципам точности, надежности и контроля маркшейдерских измерений. В связи с этим методика была изложена в виде требований и рекомендаций к этапам обработки данных, начиная с требований к исходным данным радиолокационного зондирования: требования к точности орбит повторной съемки, длины волны КА, планового разрешения и поляризации волны.
Длина волны КА должна обеспечивать возможность оценки больших смещений. Возможность получения смещений одной точки относительно другой заложена в принципе безошибочного развертывания фазы от точки к точке на половину длины волны. Изменение высоты точки относительно другой было определено через понятие наклона (5). В качестве удельной меры длины, на которую распространяются оседания, принималась относительная единица (которая может равняться либо расстоянию между двумя когерентными точками, либо пространственному разрешению сцены).
(5) где i - уклон, h - изменение высотной отметки на расстоянии l. Зависимость длины волны от ожидаемых наклонов должна удовлетворять условию:
(6) где - угол съемки от линии надира. Для достижения цели максимального использования малых отражателей рекомендуется использовать данные с наивысшим плановым разрешением. В числе точек для дальнейшего анализа в этом случае смогут выступать даже очень малые объекты, такие как опоры ЛЭП, трубопроводы, и т.п. Использование данных с высоким плановым разрешением позволяет снизить вероятность ошибки развертывания фазы при построении карт оседаний.
Для определения требуемой периодичности наблюдений, необходимо определить величину предельной скорости наклона, т.к. положительное решение развертывания фазы будет зависеть от скорости относительных оседаний между точками.
(7) Максимальное время для цикла съемки будет равняться:
(8) где, - расстояние между точками, - длина волны используемых данных, - угол съемки от линии надира. В результате исследований было установлено, что среднее квадратичное отклонение определения оседаний равняется 0,9 см для всех типов волн (X, C и L с несущественными отклонениями) при количестве исходных данных 17 штук.
(9) Отклонение от среднеарифметического составит 3,7 см. Учитывая зависимость (9) была построена зависимость точности интерферометрической съемки от количества исходных данных (сцен) (рисунок 7).
Периодичность производства радарной съемки (в течение одного года, или многолетние наблюдения) должна учитывать сезонность наблюдений.
Снежный покров представляет собой ложную поверхность, через которую не могут проходить волны, отражаясь, они несут сведения об изменении снежного покрова, но не земной поверхности. Сезон мониторинга деформационных процессов земной поверхности методом радарной интерферометрии должен совпадать с бесснежным временем года для региона.
Рисунок 7 - График зависимости СКО определения смещений от количества исходных данных Оседания, которые невозможно выделить за время одного сезона, должны выделяться на основе нескольких сезонов наблюдений. Повторные наблюдения нескольких сезонов должны иметь одинаковую дату в разные годы начала и конца серии мониторинга для исключения сезонных колебаний земной поверхности. Длительность сезона наблюдений должна быть больше минимального временного интервала для определения величин оседаний.
Для достижения наивысшей точности в первый год наблюдений за сдвижениями требуется применять как можно больше исходных данных (до 13-штук). Для того чтобы в дальнейшем наблюдения за оседаниями охватывали циклы кратные 365 дням, рекомендуется за один год до начала наблюдений в конце сезона (осенью) произвести нулевой цикл съемки (первая сцена). Тогда при последующих циклах (в том числе первом) интервал наблюдений будет всегда охватывать один год. Использование годового интервала наблюдений позволит наиболее объективно оценить оседания, не зависящие от сезонных процессов колебаний поверхности земли. В случае достаточного набора данных первого цикла для последующих циклов возможно уменьшение количества съемок до минимального.
Методика совместной обработки массива данных на этапе создания интерферограмм включает в себя рекомендации к интерферометрическим парам, по применению сглаживанию интерферограмм, рекомендации по улучшению базисов интерферограмм, а также рекомендации по развертыванию фазы.
Первое условие при проектировании схемы компоновки интерферограмм заключается в том, что построенные по сценам интерферограммы должны образовывать последовательную непрерывную цепочку, для того, чтобы было возможно на основе полученных карт оседаний рассчитать накопленные оседания и исключить промежуточные ошибки за атмосферное влияние. Второе условие при компоновке интерферограмм заключается в том, что необходимо подобрать как минимум две цепочки для производства контрольного расчета. При этом предельное значение временного интервала между сценами не должно быть превышено. Начальная и конечная сцена для расчета обоих цепочек должна совпадать.
Рекомендации по статистической обработке промежуточных данных анализа и интерпретации результатов включают в себя: суммирование карт оседаний, устранение ошибок развертывания фаз, устранение наклона карт оседаний, коррекцию высоты опорной точки, интерпретацию графиков оседаний в точках, оценку среднеквадратичного отклонения данных в точках, интеграцию измерений с классическими методами, выявление горизонтальных смещений объектов, выявление истории оседаний в точках.
Значения изменения высот точек определяются относительно опорной точки. При расчете высотной отметки точки на основе карт оседаний на момент съемок массив карт оседаний (или изменений высот в точках) суммируется относительно первой сцены, высотное значение которой приравнивается нулю. В опорной точке, как и в других, присутствуют ошибки. Определение величины ошибки атмосферного влияния в опорной точке, осуществляется за счет смещения высот ряда других точек относительно опорной, находящихся в опорной зоне.
Графики накопленных оседаний по результатам точечного интерферометрического анализа при учете всех вышеперечисленных ошибок и поправок содержат ошибки, связанные с атмосферным влиянием. Устраняются такие ошибки при помощи аппроксимации графика оседаний. Разница значений графика оседаний и построенного по нему тренда оседаний называется остатком, или в случае перевода значений в направление зондирования - остаточной фазой. Остаточные фазы есть выявленные величины неравномерной задержки фаз в неоднородной атмосфере на сцене.
Для достоверного выделения горизонтальных смещений объектов на земной поверхности необходимо использование данных двух разных орбит. Любые отклонения от значений вертикальных смещений по результатам данных двух орбит будут означать наличие горизонтальных смещений в области.
Критерии учета факторов: плотности точек; скорости процессов оседаний; необходимой точности результатов, как исходные данные для проведения мониторинга, позволяют получать в дальнейшем надежные и достоверные сведения об оседаниях земной поверхности в результате мониторинга методом радарной интерферометрии, что является третьим научным положением настоящей диссертации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе рассмотрены вопросы разработки теоретических и практических основ мониторинга районов с интенсивной нагрузкой на недра по результатам интерферометрической обработки данных космической радиолокационной съемки земли.
Основные научные и практические результаты исследований заключаются в следующем:
1. Установлено, что метод космической радарной интерферометрической съемки позволяет выявлять величины оседаний больших площадей техногенно нагруженных территорий с точностью, не уступающей традиционным геодезическим методам, что позволяет эффективно использовать данный метод для мониторинга деформационных процессов подрабатываемых горными работами территорий и находящихся на них промышленных и гражданских объектов.
2. С помощью данных радарной космической съемки возникает возможность оперативного выявления мест возникновения концентрированных деформаций и организации в данных местах детальных высокоточных традиционных маркшейдерско-геодезических наблюдений.
3. Установлено, что графики оседаний точек поверхности, полученные по результатам точечного интерферометрического анализа, позволяют получить историю изменения положения всей земной поверхности наблюдаемой территории за весь интервал радарной съемки. Таким образом, метод при наличии архивных материалов, позволяет получать историю изменения земной поверхности в конкретной точке наблюдаемой территории и может быть успешно использован при прогнозировании мест возникновения на ней опасных природнотехногенных явлений.
4. Разработан алгоритм оценки погрешности мониторинга методом радиолокационной интерферометрии, основанный на учете остатков фаз в сценах при последовательной компоновке интерферограмм.
5. Разработан алгоритм оценки и исключения ошибки развертывания фазы в сцене как метод контроля точности и надежности полученных результатов, основанный на анализе замыкающихся цепочек интерферометрических расчетов. Произведен учет влияния ошибки опорной точки, и предложены способы интерпретации результатов интерферометрической обработки.
5. На основе предложенного комплекса по обработке данных был выработан обоснованный подход к выбору данных радиолокационного космического зондирования, основанный на зависимости ожидаемых оседаний к точности орбит КА, его длины волны и разрешающей способности; обоснованы критерии периодичности космической съемки, основанные на точности получения результатов в условиях ожидаемых скоростей оседаний.
6. Разработаны рекомендации к процессу дифференциальной интерферометрии на всех этапах производства вычислений, направленные на соответствие методики, позволяющей достигать положительных результатов; подобраны критерии отбора точек для точечного анализа, а так же рекомендации к разделению списков точек для развертывания фазы и для интерпретации результатов.
Разработанные методические подходы представляют собой завершенный инструмент для анализа процессов оседаний в регионах с интенсивной техногенной нагрузкой на недра, который был успешно использован на территории Верхнекамского месторождения калийных и калийно-магниевых солей (ОАО Сильвинит), Астраханском газоконденсатном, Кулешовском и Жирновском нефтяных месторождениях, на нефтепроводных системах ОАО Нарьянмарнефтегаз, а также в ходе выполнения работ по двум международным грантам с Отделом научного сопровождения TerraSAR-X Космического Германского центра авиации и космонавтики.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
а) издания, рекомендованные ВАК РФ:
1. Кашников Ю.А., Лысков И.А., Мусихин В.В., Гилев М.В. Определение зон сдвижений на подработанной территории Верхнекамского месторождения калийных солей (ВКМКС) по результатам интерферометрической обработки радарных данных // Маркшейдерский вестник, 2011, №3. - С.34-39;
2. Мусихин В.В. Принципы повышения качества определения смещений земной поверхности при интерферометрической обработке данных радиолокационного зондирования земли // Маркшейдерский вестник, 2012, №1. - С. 53-58.
3. Мусихин В.В. Подход к интерпретации результатов радиолокационной космической съемки со спутника TerraSAR-X при определении оседаний на месторождениях // Маркшейдерия и недропользование, 2012, №4. - С. 40-44.
4. Лысков И.А., Кашников Ю.А., Мусихин В.В. Определение оседаний земной поверхности подработанных территорий при разработке полезных ископаемых по результатам интерферометрической обработки радарных данных // Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых, 2012, №4. - С. 68-77.
5. Кашников Ю.А., Ашихмин С.Г., Шустов Д.В., Мусихин В.В., Никифоров С.Э. Организация геодинамического полигона на Ванкорском нефтегазоконденсатном месторождении // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ, 2012, №4. - С. 6-13.
б) другие издания:
1. Мусихин В.В. Мониторинг деформационных процессов земной поверхности в г.Перми методами дифференциальной интерферометрической обработки радарных данных // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений. Труды III международной конференции 19-21 мая 20г., г. Екатеринбург, 2010. - С. 114-115;
2. Кашников Ю.А., Мусихин В.В., Лысков И.А. Мониторинг деформационных процессов земной поверхности методами радарной интерферометрии // Вестник ПГТУ. Геология, геоинформационные системы, горно-нефтяное дело, №5. - Пермь, 2010. - С.11-17.
3. Мусихин В.В. Использование радарной интерферометрии для мониторинга процессов оседаний ВКМКС. Геология и полезные ископаемые Западного Урала. Статьи по материалам региональной научно-практической конференции с международным участием. - Пермь, ПГНИУ, 2012. - С. 172-174.
4. Мусихин В.В., Лысков И.А. Применение радарной интерферометрии для определения деформаций трубопроводных систем в условиях тундры.// Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. - Пермь, 2012, №4 - С.114123.
____________________________________________________________________ Подписано в печать 09.11.2012. Тираж 100 экз.
Усл. печ. л. 1.
Формат 60 90/16. Заказ № 2125/2012.
____________________________________________________________________ Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.
Тел. (342) 219-80-33.