ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ОСЕДАНИЯ ЗЕМНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ В УРБАНИЗИРОВАННЫХ РАЙОНАХ И МЕТОДОВ ИХ МОНИТОРИНГА 6
1.1 Типы и причины оседаний земной поверхности в урбанизированных районах 6
1.2 Современные методы мониторинга оседаний земной поверхности 15
ГЛАВА 2. МИРОВОЙ ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ
ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 21
2.1 Основные принципы и характеристика радиолокационного зондирования Земли21
2.2 Принципы радиолокационной интерферометрии 24
2.3 Методы интерферометрической обработки 27
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МОНИТОРИНГА ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ В УРБАНИЗИРОВАННЫХ РАЙОНАХ С ПОМОЩЬЮ
СПУТНИКОВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ SENTINEL 1 39
3.1 Общие сведения о КА Sentinel 1 и его сенсорах 39
3.2 Интерферометрическая обработка методом мультивременного DInSAR 43
3.3 Апробация метода 50
ГЛАВА 4. МЕТОДИКА МОНИТОРИНГА ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В
УРБАНИЗИРОВАННЫХ РАЙОНАХ 52
4.1 Динамика оседаний земной поверхности на южной части города Санкт-Петербург52
4.2 Методические рекомендации по проведению мониторинга предложенным
методом 56
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 61
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 63
Интернет источники 67
ПРИЛОЖЕНИЕ №1 69
ПРИЛОЖЕНИЕ №2 70
ПРИЛОЖЕНИЕ №3 73
Еще 70 лет назад ученые считали, что оседания земной поверхности — это естественный природный процесс и человек не имеет к нему никакого отношения, т.к. данное явление связано преимущественно с геологическими процессами. Сейчас стало очевидным — человеческое вмешательство приводит к куда большим негативным последствиям. И это не преднамеренное совершение вредоносных действий, а последствия достижения других целей.
Наиболее значительное действие на земную поверхность оказывают добыча твердых полезных ископаемых, откачка флюидов (воды, нефти и газов), создание водохранилищ и строительство в городах высотных зданий. Исследования показали, что по частоте проявления, скоростям и негативным последствиям антропогенное воздействие превосходит естественные тектонические движения. Так откачка подземных вод в Мехико вызвала оседание города более чем на 8,5 м, а в приморских японских городах — со скоростью от 1 до 50 см в год и достигло местами 4 м. Строительство крупных городов с нагрузкой высотных и промышленных зданий также порождает опускание земной поверхности. В Москве, например, скорость опускания 1-2 мм/год (Разумов, 1991).
В последние десятилетия оседание земной поверхности стало широко распространенным явлением, его изучением и борьбой с ним заняты многие ученые и инженеры, оно стало международной проблемой, обсуждаемой на научных симпозиумах. Необходимость постоянного и тщательного мониторинга данного процесса является необходимой задачей каждой страны и мира в целом.
За смещениями в промышленных территориях обычно ведутся наблюдения традиционными геодезическими методами. Но сейчас они уходят на второй план в виду своей дороговизны и уступают место аэрокосмическим наблюдениям. Однако, такому тщательному мониторингу подвергаются территории горнодобывающих работы и места проведения ремонтной деятельности и строительства, а причин оседания земной поверхности в урбанизированных районах довольно много и не всегда очевидны места их появлений. В таком случае дистанционное зондирование Земли представляет собой надежный инструмент для глобального мониторинга, с помощью которого возможно предотвратить риски возникновения чрезвычайных ситуаций.
Наибольшее развитие и популярность получил метод радиолокационной спутниковой интерферометрии. Он представляет собой эффективное средство определения смещений земной поверхности и деформаций сооружений. Радиолокационная интерферометрия — активно развивающаяся в последние два десятилетия отрасль дистанционного зондирования Земли. Ее сущность заключается в излучении 3
искусственным спутником Земли радиосигнала, который, отражаясь от земной поверхности, регистрируется сенсором. Значение в каждой точке поверхности с некоторой дискретностью в плане будет содержать значение амплитуды и задержки по фазе. По произошедшим за время между первой и повторной съемками изменениям судят о вертикальных и горизонтальных смещениях земной поверхности. При этом отражающими поверхностями могут служить как искусственные (крыши зданий, развилки дорог), так и природные объекты (почвенный покров, растительность и др.).
Большинство известных алгоритмов определения зон оседания земной поверхности разработаны на основе данных коммерческих радиолокационных спутников и поэтому обеспечить глобальный мониторинг данного процесса, например, в России представляется дорогостоящим. Целью магистерской выпускной квалификационной работы является предложение методики мониторинга урбанизированных территорий на предмет оседаний земной поверхности методом радиолокационной спутниковой интерферометрии на основе находящихся в открытом доступе данных радиолокационной съёмки Sentinel-1.
Достижение сформулированной цели предусматривает выполнение следующих этапов работы:
1) определить причины оседаний в урбанизированных районах;
2) ознакомиться с существующими методами мониторинга оседаний;
3) изучить принципы радиолокационной спутниковой интерферометрии;
4) выбрать метод мониторинга оседаний земной поверхности;
5) апробировать метод на нескольких урбанизированных территориях;
6) разработка методики обработки радиолокационных данных с целью получения мест оседаний земной поверхности;
7) сформировать методические указания по мониторингу и автоматизированному картографированию оседаний земной поверхности методом радиолокационной спутниковой интерферометрии.
Для разработки системы мониторинга были выбраны европейские радиолокационные спутники близнецы семейства Sentinel - 1А и 1В данные, с которых свободно распространяются. Обработка и постобратка проводилась в открытом программном обеспечение SNAP, разрабатываемом европейским космическим агентством (ESA), и QGIS.
Данная выпускная квалификационная работа состоит из четырех глав. В первой главе освещены геологические и антропогенные причины оседаний в урбанизированных территориях, а также рассмотрены существующие их способы мониторинга. Во второй главе уделяется внимание теории и истории радиолокационных спутниковой интерферометрии и существующим методами обработки. Третья глава посвящена спутникам Sentinel 1 и разработке методики мониторинга оседаний. В четвертой главе проведена верификация на примере города Санкт-Петербург и даны методические рекомендации по выполнению мониторинга предложенным алгоритмом. В заключении подведены итоги проделанной работы и рассмотрены возможные перспективы развития.
Оседания земной поверхности в урбанизированных районах — проблема, по праву занимающая важное место в современном мире, которая неизбежно нуждается в оперативном и постоянном наблюдении для предотвращения возможных последствий. В выпускной квалификационной работе предлагается методика мониторинга на основе метода радиолокационной спутниковой интерферометрии по открытым данным радарного спутника Senti¬nel 1.
В результате выполненной работы было реализовано следующее:
1) Определены причины возникновения оседаний земной поверхности. Природа их возникновения бывает как геологическая, так и антропогенная. Эти явления широко изучены учеными из разных областей географии, геоморфологии, геологии и даже экологии.
2) Рассмотрены методы мониторинга опусканий земной поверхности. Большинство изученных типов оседаний подвергаются наземным геодезическими и аэрогеодезическими измерениям. Однако масштабирование работ на урбанизированные территории будет довольно ресурсозатратным.
3) Изучена общая теория радиолокационной спутниковой интерферометрии, методами которой можно получать информацию на обширные территории, чем и оправдано решение разрабатывать методику, основанную на свободно распространяемых данных радарного спутника Sentinel 1.
4) Среди существующих методов радиолокационной спутниковой интерферометрии для определения оседаний земной поверхности в урбанизированных районах и был выбран метод мультивременой DInSAR и апробирован на территориях городов Санкт-Петербург, Череповец и Мехико.
5) Вся методика реализована на открытом программном обеспечении для обработки радиолокационных данных - SNAP и для геоинформационного анализа и картографической визуализации - QGIS. Все этапы обработки данных были автоматизированы и реализованы в Graph Builder и составлены рекомендации по каждому из этапов. Для картографической визуализации и отображения статистики были приведены примеры с выделенной группой инструментов для этого.
6) Сформированные методические указания помимо этапов обработки содержат технические рекомендации, основанные на проведённых тестах. Обработка радиолокационных данных крайне требовательный к ОЗУ процесс, поэтому были выбраны три варианта: 6, 12, 64 Гб. Проведенный анализ, позволил оценить временные затраты на обработку одной пары и сформировать технические критерии к вычислительным машинам для оперативных определений оседаний.
Реализация разработанной методики проведена на данных по г. Санкт-Петербургу за период с июня 2018 по май 2019 года и показала, что критических смещений не наблюдается. Также получилось установить медленную просадку грунта во Фрунзенском районе, которая впоследствии привела к прорыву подземных коммуникаций и попаданию пассажирского транспорта в горячую воду.
Предложенная методика мониторинга потенциально сэкономит время пользователей на получение информацией об оседаниях земной поверхности в урбанизированных районах и позволит определять тенденции в просадках грунта и устранять причины до возникновения опасных последствий. Данную методику возможно совершенствовать за счет использования более точных ЦМР и контрольными геодезическими измерениями, однако, это уже другой уровень мониторинга, предполагающий задействование денежных средств и использование данных, находящихся под государственной тайной.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
