ОПРЕДЕЛЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ НА ЗАСТРОЕННЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. Основы радиолокационной интерферометрии 7
1.1 Интерферометрия 7
1.2 Радиолокационная интерферометрия 10
1.3 Основные характеристики РСА 11
1.4 Основные зависимости при боковом способе обзора 12
1.5 Исходные данные для реализации интерферометрического метода обработки 13
1.6 Факторы, влияющие на точность полученной карты смещений 15
1.7 Основные требования для входных данных при интерферометрической обработке 16
1.8 Развертка фазы 18
2. Космический аппарат дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) Sentinel-1A 23
2.1 Основные характеристики КА Sentinel-1A 24
2.2 Возможности радарных снимков Sentinel-1А 25
3. Применение метода радиолокационной интерферометрии 29
4 Процесс получения карты вертикальных смещений 33
4.1 Выбор входных данных для метода интерферометрической обработки 33
4.2 Выбор программного обеспечения для обработки данных 35
4.3 Этапы интерферометрической обработки 36
4.3.1 Выбор необходимой суб-полосы 36
4.3.2 Применение данных орбиты спутника 37
4.3.3 Ко-регистрация и совмещение снимков 37
4.3.4 Построение «сырой» интерферограммы 40
4.3.5 Получение целостного изображения 41
4.3.6 Выбор необходимо участка 42
4.3.7 Построение дифференциальной интерферограммы 43
4.3.8 Фильтрация (устранение шумов) дифференциальной интерферограммы 44
4.3.9 Получение абсолютных значений фазы 45
4.3.10 Импорт развернутой фазы в SNAP 48
4.3.11 Пересчет фазы в смещение 48
4.3.12 Удаление участков с низкой когерентностью 50
4.3.13 Импорт карты вертикальных смещений 52
5. Результаты 54
Заключение 55
Список использованных источников 57
Приложения 59
Приложение 1 59
Приложение 2
Приложение 3 61
Приложение 4 62
1. Основы радиолокационной интерферометрии 7
1.1 Интерферометрия 7
1.2 Радиолокационная интерферометрия 10
1.3 Основные характеристики РСА 11
1.4 Основные зависимости при боковом способе обзора 12
1.5 Исходные данные для реализации интерферометрического метода обработки 13
1.6 Факторы, влияющие на точность полученной карты смещений 15
1.7 Основные требования для входных данных при интерферометрической обработке 16
1.8 Развертка фазы 18
2. Космический аппарат дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) Sentinel-1A 23
2.1 Основные характеристики КА Sentinel-1A 24
2.2 Возможности радарных снимков Sentinel-1А 25
3. Применение метода радиолокационной интерферометрии 29
4 Процесс получения карты вертикальных смещений 33
4.1 Выбор входных данных для метода интерферометрической обработки 33
4.2 Выбор программного обеспечения для обработки данных 35
4.3 Этапы интерферометрической обработки 36
4.3.1 Выбор необходимой суб-полосы 36
4.3.2 Применение данных орбиты спутника 37
4.3.3 Ко-регистрация и совмещение снимков 37
4.3.4 Построение «сырой» интерферограммы 40
4.3.5 Получение целостного изображения 41
4.3.6 Выбор необходимо участка 42
4.3.7 Построение дифференциальной интерферограммы 43
4.3.8 Фильтрация (устранение шумов) дифференциальной интерферограммы 44
4.3.9 Получение абсолютных значений фазы 45
4.3.10 Импорт развернутой фазы в SNAP 48
4.3.11 Пересчет фазы в смещение 48
4.3.12 Удаление участков с низкой когерентностью 50
4.3.13 Импорт карты вертикальных смещений 52
5. Результаты 54
Заключение 55
Список использованных источников 57
Приложения 59
Приложение 1 59
Приложение 2
Приложение 3 61
Приложение 4 62
Данное исследование посвящено выявлению признаков смещений земной поверхности по архивным данным методом радиолокационной интерферометрии.
Известно, что любые влияния на поверхность Земли зачастую сопровождаются, как незначительными проседаниями/поднятиями, так и, проявлениями сейсмической активностью и достаточно аномальными деформациями, что может вызвать значительный экологический, а также экономический ущерб, особенно в районах промышленно-гражданской застройки.
На сегодняшний день существуют несколько основных способов дистанционного получения информации о поверхности Земли: оптический и радарный. В первом случае система считается пассивной, так как, при наблюдении используется солнечный свет; для второго метода характерно наличие собственного источника излучения. Такие системы принято называть- активные системы. Главным преимуществом второго вида зондирования- независимость от метеорологических условий и уровня освещенности местности. В следствии этого, для получения информации о сдвигах поверхности, в последние годы все активнее начинает применяться метод дифференциальной интерферометрии изображений, полученных радиолокаторами с синтезированной апертурой антенны.
Данная технология, выполнения наблюдений, по сравнению с традиционными геодезическими методами, имеет преимущества, как по стоимости, так и по скорости получения результата.
Главным достоинством перед другими методами зондирования является прямое измерение различий в рельефе, которые произошли за период между анализируемыми съемками.
С помощью радарных сенсоров спутник «освещает» земную поверхность, далее луч отражается обратно и регистрируется принимающей антенной. Из полученных данных формируются изображения, которые дают информацию об «освещенной» поверхности.
Основной информацией, получаемой в результате радарной съемки, является фаза и амплитуда. А по разности фаз, которую можно получить при повторной радарной съемке, определяется движением земной поверхности.
Радарная съемка практическими измерениями позволяет получить точную картину вертикальных сдвигов и таким образом подтвердить ожидаемые расчетные параметры.
Основной целью данной работы является применение метода радиолокационной интерферометрии для оценки точности смещений земной поверхности на застроенных и промышленных территориях по архивным данным, а также оценка информативности и практичности применения данного метода обработки. В качестве территории для анализа радарных снимков был выбран центральный участок г. Казань.
Для получения планируемого результата были поставлены следующие задачи:
• Анализ существующего опыта в области радиолокационной интерферометрии для оценки смещений;
• Выбор и изучение программных средств для обработки радарных снимков;
• Получение радиолокационных изображений центральной части г. Казань со спутников Sentinel-1A;
• Освоение процесса обработки космических снимков и применение его на практике;
• Оценить точность полученных данных в результате применения метода радиолокационной интерферометрии.
Подобную информацию о смещениях поверхности Земли можно получить и с помощью традиционных геодезических методов, например, повторного нивелирования. Но такой метод потребует больших трудовых и финансовых затрат, а величины сдвигов будут определены только в точках установки реперов.
Если учитывать наличие труднодоступных и неосвоенных территорий или территорий на которых происходят активные динамические процессы, то можно говорить о невозможности выполнения геодезической съемки.
Файл, полученный в результате интерферометрической обработки, как правило, показывает интегральную картину движения поверхности, на всем интересующем нас участке, вне зависимости от метеорологических процессов, освещенности и расположения данного участка. Именно в этом заключается актуальность изучения данного метода мониторинга.
Известно, что любые влияния на поверхность Земли зачастую сопровождаются, как незначительными проседаниями/поднятиями, так и, проявлениями сейсмической активностью и достаточно аномальными деформациями, что может вызвать значительный экологический, а также экономический ущерб, особенно в районах промышленно-гражданской застройки.
На сегодняшний день существуют несколько основных способов дистанционного получения информации о поверхности Земли: оптический и радарный. В первом случае система считается пассивной, так как, при наблюдении используется солнечный свет; для второго метода характерно наличие собственного источника излучения. Такие системы принято называть- активные системы. Главным преимуществом второго вида зондирования- независимость от метеорологических условий и уровня освещенности местности. В следствии этого, для получения информации о сдвигах поверхности, в последние годы все активнее начинает применяться метод дифференциальной интерферометрии изображений, полученных радиолокаторами с синтезированной апертурой антенны.
Данная технология, выполнения наблюдений, по сравнению с традиционными геодезическими методами, имеет преимущества, как по стоимости, так и по скорости получения результата.
Главным достоинством перед другими методами зондирования является прямое измерение различий в рельефе, которые произошли за период между анализируемыми съемками.
С помощью радарных сенсоров спутник «освещает» земную поверхность, далее луч отражается обратно и регистрируется принимающей антенной. Из полученных данных формируются изображения, которые дают информацию об «освещенной» поверхности.
Основной информацией, получаемой в результате радарной съемки, является фаза и амплитуда. А по разности фаз, которую можно получить при повторной радарной съемке, определяется движением земной поверхности.
Радарная съемка практическими измерениями позволяет получить точную картину вертикальных сдвигов и таким образом подтвердить ожидаемые расчетные параметры.
Основной целью данной работы является применение метода радиолокационной интерферометрии для оценки точности смещений земной поверхности на застроенных и промышленных территориях по архивным данным, а также оценка информативности и практичности применения данного метода обработки. В качестве территории для анализа радарных снимков был выбран центральный участок г. Казань.
Для получения планируемого результата были поставлены следующие задачи:
• Анализ существующего опыта в области радиолокационной интерферометрии для оценки смещений;
• Выбор и изучение программных средств для обработки радарных снимков;
• Получение радиолокационных изображений центральной части г. Казань со спутников Sentinel-1A;
• Освоение процесса обработки космических снимков и применение его на практике;
• Оценить точность полученных данных в результате применения метода радиолокационной интерферометрии.
Подобную информацию о смещениях поверхности Земли можно получить и с помощью традиционных геодезических методов, например, повторного нивелирования. Но такой метод потребует больших трудовых и финансовых затрат, а величины сдвигов будут определены только в точках установки реперов.
Если учитывать наличие труднодоступных и неосвоенных территорий или территорий на которых происходят активные динамические процессы, то можно говорить о невозможности выполнения геодезической съемки.
Файл, полученный в результате интерферометрической обработки, как правило, показывает интегральную картину движения поверхности, на всем интересующем нас участке, вне зависимости от метеорологических процессов, освещенности и расположения данного участка. Именно в этом заключается актуальность изучения данного метода мониторинга.
В результате проделанной работы, мы убедились в возможности использования открытых архивных данных с радарного спутника БепйпаЫА.
Снимки, поставляемые с космического аппарата БепйпаЫА регулярны на каждые 12 дней. Необходимые изображения можно получить на любую, интересующую территорию и за любой промежуток времени.
Так же было установлено, что ПО SNAP, находящееся в свободном доступе способно выполнять весь цикл дифференциальной интерферометрической обработки, за исключением этапа развертки фазы, который проводился во внешнем ПО Snaphu.
В ходе работы подтверждено, что при обработке радарных снимков застроенной территории центра города Казань с космического аппарата Sentinal- 1А, мы имеем величину вертикальных смещений с достаточно хорошей сантиметровой точностью.
Проанализировав, все полученные карты вертикальных смещений, мы получили, что величина сдвигов за май 2017 года составляет от 0,01м до 0,038 м. В июле минимальное значение сдвигов составляет 0,002 м, а максимальное 0,037 м. Значения полученные в результате обработки снимков за август 2017 года лежат в промежутке от 0,009 м до 0,049 м.
Определили, что СКО метода радиолокационной интерферометрии составляет 2 см, из чего следует, что вертикальные смещения, полученные при обработке всех пар снимков, находятся в пределах систематической ошибки, а это значит их можно принять за шумы и исключить. В таком случае логично говорить о стабильности исследуемой нами территории.
Для повышения точности значения смещений поверхности на застроенных и промышленных участках предлагается применять метод постоянных отражателей (Persistent Scatterers Interferometry). Основная идея метода состоит в использовании объектов, которые сохраняют стабильность уровня отражения и положение фазового центра отраженного сигнала. В теории установлено, что точности расчета смещений данного метода имеют значения до первых миллиметров. При этом требуется значительное количество (>20) повторных съемок, что не всегда достижимо при использовании РСА.
Резюмируя все вышеперечисленное можно сделать выводы о том, что метод радиолокационной интерферометрии, является отличным способом мониторинга Земли на первом уровне. Получение данных о вертикальных смещениях поверхности не требует никаких затрат, т.к. и ПО и необходимые снимки находятся в открытом доступе. Время обработки одной пары изображений для получения информации о величине смещения занимает не больше суток, используя компьютер средней мощности. Точность метода позволяет обнаружить участки с запредельными сдвигами, на которые в дальнейшем уже можно запрашивать снимки с коммерческих спутников. Для более высокого разрешения рекомендуется использовать радарные данные коммерческих спутников (TerraSAR-X, Cosmo-SkyMed и др), обрабатывать которые необходимо в коммерческих программных продуктах.
Снимки, поставляемые с космического аппарата БепйпаЫА регулярны на каждые 12 дней. Необходимые изображения можно получить на любую, интересующую территорию и за любой промежуток времени.
Так же было установлено, что ПО SNAP, находящееся в свободном доступе способно выполнять весь цикл дифференциальной интерферометрической обработки, за исключением этапа развертки фазы, который проводился во внешнем ПО Snaphu.
В ходе работы подтверждено, что при обработке радарных снимков застроенной территории центра города Казань с космического аппарата Sentinal- 1А, мы имеем величину вертикальных смещений с достаточно хорошей сантиметровой точностью.
Проанализировав, все полученные карты вертикальных смещений, мы получили, что величина сдвигов за май 2017 года составляет от 0,01м до 0,038 м. В июле минимальное значение сдвигов составляет 0,002 м, а максимальное 0,037 м. Значения полученные в результате обработки снимков за август 2017 года лежат в промежутке от 0,009 м до 0,049 м.
Определили, что СКО метода радиолокационной интерферометрии составляет 2 см, из чего следует, что вертикальные смещения, полученные при обработке всех пар снимков, находятся в пределах систематической ошибки, а это значит их можно принять за шумы и исключить. В таком случае логично говорить о стабильности исследуемой нами территории.
Для повышения точности значения смещений поверхности на застроенных и промышленных участках предлагается применять метод постоянных отражателей (Persistent Scatterers Interferometry). Основная идея метода состоит в использовании объектов, которые сохраняют стабильность уровня отражения и положение фазового центра отраженного сигнала. В теории установлено, что точности расчета смещений данного метода имеют значения до первых миллиметров. При этом требуется значительное количество (>20) повторных съемок, что не всегда достижимо при использовании РСА.
Резюмируя все вышеперечисленное можно сделать выводы о том, что метод радиолокационной интерферометрии, является отличным способом мониторинга Земли на первом уровне. Получение данных о вертикальных смещениях поверхности не требует никаких затрат, т.к. и ПО и необходимые снимки находятся в открытом доступе. Время обработки одной пары изображений для получения информации о величине смещения занимает не больше суток, используя компьютер средней мощности. Точность метода позволяет обнаружить участки с запредельными сдвигами, на которые в дальнейшем уже можно запрашивать снимки с коммерческих спутников. Для более высокого разрешения рекомендуется использовать радарные данные коммерческих спутников (TerraSAR-X, Cosmo-SkyMed и др), обрабатывать которые необходимо в коммерческих программных продуктах.