Площадной радарный интерферометрический контроль оседания подработанных территорий

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПЛОЩАДНОЙ РАДАРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ОСЕДАНИЯ ПОДРАБОТАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

А.А. Барях

В октябре 2006 года произошел аварийный прорыв пресных вод в выработанное пространство Первого Березниковсковского рудника, отрабатывающий участок Верхнекамского месторождения калийных солей, который расположен в пределах города Березники Пермского края с населением порядка 180 тыс. чел.

Одним из основных негативных последствий аварии является интенсификация деформаций земной поверхности вследствие растворения соляных пород. Данные процессы представляют угрозу для нормального функционирования гражданских и промышленных объектов, магистральных и внутригородских коммуникаций, находящихся на подработанной территории г. Березники и прилегающих районов.

Для обеспечения безопасной жизнедеятельности территории г. Березники, своевременного принятия превентивных управленческих технических решений необходима организация комплексного мониторинга за развитием аварийной ситуации, важнейшим элементом которой является контроль за оседаниями земной поверхности. В этой связи, наряду с традиционными методиками маркшейдерских наблюдений по профильным линиям, впервые в российской горной практике совместно с Клаузтальским техническим университетом (Институт геотехники и маркшейдерского дела, директор профессор В. Буш) применялись и современные спутниковые радарные интерферометрические технологии, позволяющие получать данные по всей контролируемой площади.

Принцип радарной интерферометрии заключается в записи и обработке двух разновременных спутниковых снимков одного и того же участка земной поверхности из разных перспектив.

Запись обоих сцен спутниковыми радарами осуществляется не синхронно. При каждом новом пролете радарный сенсор излучает сверхкороткий сильно когерентный электромагнитный импульс с определенной длиной волны по наклонной траектории вниз, вертикально к движению спутника. Сенсор работает вне зависимости от времени суток. Радарное излучение относительно легко и без помех проходит через облачность. Принципиально сенсоры могут функционировать в любых погодных условиях. Используемая длина волны радарного импульса позволяет оценивать изменения земной поверхности по высоте с точностью до первых миллиметров.

Радарная система регистрирует время прохождения и интенсивность отраженного от поверхности земли сигнала. Фазовая характеристика принятого сигнала является основной измеряемой величиной при обработке данных методом интерферометрии, поскольку она пропорциональна двукратной длине пройденного радарным импульсом пути между сенсором и поверхностью земли.

Одним из основных способов определения оседания земной поверхности с помощью радарных данных является метод "дифференциальной" спутниковой интерферометрии" (dinSAR). Существуют различные приемы практической реализации метода dinSAR. Самый распространенным способ построения дифференциальных интерферограмм - метод двойного прохода. При его использовании из каждых двух радарных сцен вычисляется портрет с фазовыми отличиями (интерферограмма), из которого вычитается внешняя цифровая высотная модель, которая предварительно переведена в систему координат радара. Без учета вторичных фазовых составляющих, таких как атмосферные явления, орбита и шумы, получаемые дифференциальные фазовые портреты могут интерпретироваться как картины вертикальных деформаций земной поверхности. радарный интерферометрия спутниковый коммуникация

Исследование процесса сдвижения земной поверхности в пределах г. Березники базировались на данных спутников ENVISAT и TerraSAR-X. Первый спутник использует длину волны 5,6 см (сантиметровый диапазон) и при проведении спутниковой съемки покрывают площадь примерно 100х 00 км. Участок местности записывается каждые 35 дней с однотипными параметрами съемки. Геометрическое разрешение составляет порядка 25х 25 м. Новый спутник TerraSAR-X (запущен в июле 2007 года Немецким центром воздухоплавания и аэрокосмонавтики) имеет более короткую длину волны порядка 3,1 см и работает в рентгеновском диапазоне излучения импульса. Его данные, записанные в режиме stripMAP, обладают существенно лучшим разрешением (2х 2 м) и при съемке покрывают территорию площадью примерно 30х 50 км. Временной период облета орбиты и записи сцен, необходимых для построения комбинаций интерферограмм, составляет 11 дней. Таким образом, этот радарный сенсор, априори, представляется более предпочтительным для изучения относительно больших и малоплощадных оседаний земной поверхности, характерных для шахтного поля Первого Березниковского рудника.

Рис. 1. Изолинии оседания (в мм) земной поверхности за период с 16.12.2006 по 18.08.2007

Актуальный анализ данных спутника ENVISAT по оценке сдвижения земной поверхности на территории г. Березники проводился поэтапно по мере накопления снимков.

На рис. 1 иллюстрируются полученные по результатам радарной интерферометрической съемки спутника ENVISAT оседания земной поверхности в пределах шахтного поля Первого Березниковского рудника за период с декабря 2006 по август 2007 года (8 месяцев).

Сопоставление результатов определения оседаний земной поверхности методом dinSAR с данными интерполяции маркшейдерских измерений за период 2006-2007 годов по профильным линиям, заложенным в черте г. Березники, показало их приемлемое согласование для районов городской застройки. На участках с выраженным растительным покровом информация спутника ENVISAT не обеспечила достоверное определение деформаций земной поверхности, регистрируемых инструментальными методами.

Сложности оценки оседания земной поверхности начали возникать и в зимний для района Урала период (с ноября 2007 по март 2008 года). Наличие в это время снежного покрова и плохих метеоусловий (снегопада) в сочетании с не очень оптимальной геометрией съемки не позволили дать количественное выражение оседаний даже в пределах застроенных подработанных территорий. На качественном уровне лишь сделаны выводы об изменении скоростей оседания земной поверхности (увеличение - уменьшение).

Рис. 2. Оседания земной поверхности (мм) в районе ул. Ленина, г. Березники (а) и пос. Зырянка (б) за период с 8.07.2008 по 19.07.2008 (11 дней)

Весной 2008 года отмечено резкое увеличение скоростей оседания земной поверхности (до 100 мм/мес и более) на некоторых участках шахтного поля Первого Березниковского рудника, обусловленное растворением соляных пород вследствие поступления пресных вод в горные выработки. Вместе с тем такие изменения состояния земной поверхности не получили достоверного количественного отражения в данных интерпретации снимков спутника ENVISAT. Более эффективными в этом отношении оказались результаты определения оседаний методом dinSAR по снимкам спутника TerraSAR-X. Благодаря высокому геометрическому разрешению и малому периоду облета, по данным спутника TerraSAR-X достаточно четко регистрируются значительные скорости оседания земной поверхности (рис. 2, а). При этом адекватные результаты получаются даже на участках с преимущественно растительным покровом (рис. 2, б). Вместе с тем следует также отметить, что интерпретация данных спутника TerraSAR-X по участкам с относительно низкими скоростями оседания земной поверхности является, зачастую, затруднительной.

Таким образом, одновременный dinSAR анализ снимков спутников ENVISAT и TerraSAR-X позволяет осуществлять оптимальный площадной контроль деформации подработанных территорий в широком диапазоне изменения скоростей оседания земной поверхности.

Размещено на Allbest.ru