Метод обработки комплексных радиолокационных интерферограмм в условиях высокой временной декорреляции

Актуальность исследований. Эффективным методом, позволяющим получать площадные оценки вертикальных и плановых смещений земной поверхности, является интерферометрическая обработка радиолокационных космоснимков. Преимуществом радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА) перед оптическими сенсорами 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 РСА. Преимущество интерферометрического метода перед обработкой стереоснимков заключается в более высокой точности получаемых результатов, достигаемой за счет использования фазовой компоненты отраженного поверхностью радиосигнала. Известно успешное применение интерферометрии для обнаружения просадок грунтов в районах угольных шахт в Англии, нефтяных полей в Калифорнии, крупных мегаполисах Европы, зонах землетрясений и действующих вулканов.

Разработка запасов нефти и газа на территории Западной Сибири ведется в зоне сплошной или очаговой вечной мерзлоты, торфяных болот, промерзающих полностью зимой мелководных озер, термокарстовых провинциях, районах развития овражной эрозии в результате техногенного нарушения почвенного покрова. Негативные геодинамические процессы вызывают разрывы труб на различных глубинах в скважинах на действующих нефтегазовых месторождениях, наземных внутрипромысловых и магистральных трубопроводах.

Для обеспечения геодинамической безопасности от влияния разработки недр на природную геоэкологическую среду, промышленные и гражданские сооружения, попадающие в площадь горного отвода, проводятся работы по горно-экологическому мониторингу. Для решения таких задач на территории лицензионных участков создаются геодинамические полигоны, состоящие из множества глубинных реперов. На основе анализа и интерпретации результатов комплекса высокоточных геодезических измерений на пунктах геодинамического полигона строятся картосхемы формирующейся мульды оседания. Однако проводимые работы по нивелировке, гравиметрии, СР8-измерениям, измерениям локального магнитного поля Земли требуют значительных финансовых и трудовых затрат. Для наблюдения за динамикой мульды оседания, образующейся в результате извлечения углеводородов, измерения необходимо проводить ежегодно, а для некоторых областей месторождения несколько раз в год. К тому же такой подход позволяет получать величины смещений лишь в точках установки реперов, что зачастую недостаточно для’построения площадного покрытия. Более того, в условиях непроходимой болотистой местности не всегда удается добраться до определенных пунктов для проведения замеров.

Таким образом, практическая актуальность исследований заключается в необходимости применения новых наукоемких методов для мониторинга дневной поверхности месторождений нефти и газа.

Состояние исследований. В настоящее время данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) активно применяются для решения задач мониторинга, в том числе и нефтегазовых месторождений. Использование оптических и радиолокационных космоснимков сокращает финансовые и временные затраты по сравнению с традиционными методами. Данные ДЗЗ имеют широкий спектр возможных приложений, таких как обнаружение лесных пожаров, мониторинг разливов нефти, контроль сжигания попутного нефтяного газа и т. д. Важную роль при решении таких задач играет оперативность получения информации и частая повторяемость данных.

Для решения прикладных задач с использованием космоснимков необходима их тематическая обработка, которая позволяет выделить те или иные элементы ландшафта или оценить интересующие характеристики отражающей поверхности.

Первое применение интерферометрической обработки РСА съемки с повторяющихся орбит космического аппарата КА для оценки смещений земной поверхности отмечено в 1989 в работе Gabriel и Goldstein [18]. С тех •пор проведено множество исследований по совершенствованию процесса вычислений и по использованию метода в прикладных исследованиях. Разработано множество программных пакетов, реализующих полный цикл обработки и позволяющих проводить расчеты с минимальными знаниями принципов интерферометрии.

Применение метода интерферометрической обработки радарных изображений на территорию ХМАО выявило сложности в расчете смещений, связанные с географическими и геологическими особенностями региона и характером регистрируемых подвижек. Из-за условий отражения зондирующего сигнала от ландшафтов характерных для данной местности не для всей территории удается получить достаточно информативные интерферограммы. Происходит временная декорреляция отраженных поверхностью сигналов даже при незначительном интервале между повторными съемками одной и той же территории (временная база). Быстрый рост растительных покровов в летний период является основной причиной временной декорреляции, способствующей разрушению интерферограмм. Сезонные изменения уровня торфяных болот оказывают маскирующее влияние и не позволяют точно определить смещения, связанные с долговременными движениями блоков земной коры. Исходя из стохастической модели распределения интерферометрической фазы декорреляция приводит к увеличению погрешности расчета высот рельефа и подвижек земной поверхности. Для обработки зашумленных фрагментов интерферограммы в данной работе (Глава 3) предложен метод, основанный на некогерентном усреднении комплексной выборки.

Анализ работ в области РСА интерферометрии, проведенных зарубежными и отечественными исследователями, показал неполную разработанность данной проблемы. Исследования в основном относятся к открытым поверхностям с твердым минеральным грунтом, для которых сохраняется высокая когерентность интерферометрических пар с временной базой до 10 лет. Большинство работ по применению площадной дифференциальной интерферометрии посвящено оценке смещений с амплитудой от 10 см до 1 м, произошедших по причине крупных землетрясений, оползней или извержений вулканов.

С момента запуска первого искусственного спутника с РСА на борту (БЕАЗАТ, 1978) накоплен огромный объем радиолокационных данных. Однако не все данные оказываются пригодными для интерферометрической обработки с целью построения ЦМР и оценки смещений земной поверхности. При выборе исходных радиолокационных снимков исследователи основываются на геометрических принципах интерферометрической съемки. Успешность применения пары кадров определяется исходя из таких критериев как пространственная и временная база, разрешение на местности. При заказе сцен для исследования новой территории с присущими ей ландшафтами нет абсолютной уверенности в пригодности данных. Вследствие того, что цена РСА данных растет пропорционально пространственному разрешению, заказ бесполезных данных приводит к финансовым затратам. В связи с этим в данной работе (Глава 2) решается задача установления комплексного влияния параметров съемки и состояния ландшафтов земной поверхности на пригодность интерферометрических пар. На основе стохастической модели радиолокационной интерферометрии предложена численная оценка применимости радиолокационных кадров и возможности получения информативных интерферограмм.

Метод дифференциальной интерферометрии, на основе которого строятся карты смещений, требует наличия опорных цифровых моделей рельефа отражающей поверхности (ЦМР), что также проблематично в виду географического расположения территории ХМАО. Широко используемая в интерферометрической обработке ЦМР SRTM3, построенная по результатам миссии Shuttle Radar Topography Mission (STS-99) в 2000 г., не охватывает северные широты, а имеющийся рельеф Global Topo 30 не обладает требуемой точностью и имеет значительные ошибки в географической привязке. Оцифровка отметок высот и изолиний с топографических карт необходимого масштаба (1:10 000 — 1:25 000) достаточно трудоемкий процесс. В этом случае применяется метод трех проходной интерферометрической обработки, в ходе которой строится ЦМР высокого разрешения и на ее основе выделяется дифференциальная составляющая разности фаз. В связи с этим в данной работе (Глава 3) решаются задачи построения опорных ЦМР и оценки долговременных смещений земной поверхности.

В настоящее время создано множество коммерческих и свободно распространяемых программных пакетов (SARscape, GAMMA, Photomod Radar, ERDAS Imagine, RAT, DORIS, PolSARpro, ROI РАС), реализующих интерферометрическую обработку радиолокационных космоснимков. Однако доступное программное обеспечение не позволяет проводить пакетную обработку больших объемов радиолокационных данных. Кроме того, в них реализовано недостаточное количество алгоритмов выполнения отдельных этапов интерферометрической обработки, отсутствует поддержка форматов новых РСА. В связи с этим все предложенные в данной работе методы и алгоритмы расчета программно реализованы.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является разработка метода обработки комплексных радиолокационных интерферограмм для оценки смещений земной поверхности в условиях высокой временной декорреляции, вызванной значительными изменениями подстилающей поверхности за время между съемками. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ зависимости временной и пространственной декорреляции интерферограмм от условий съемки и состояния природных ландшафтов для различных типов РСА.

2. На основе проведенного анализа сформировать критерий отбора снимков, полученных со спутниковых приборов радарного дистанционного зондирования, для получения качественных результатов интерферометрической обработки.

3. Провести подспутниковые эксперименты по измерению уровня обратного отражения радиолокационного сигнала от искусственных и техногенных уголковых отражателей.

4. На основе стохастической модели радиолокационной интеферометрии разработать метод обработки областей фазовых компонент с низким соотношением сигнал/шум в целях построения ЦМР и карт смещений.

5. Разработать метод выделения долговременных просадок, связанных с движениями земной коры на фоне смещений отражающей поверхности, вследствие сезонного изменения уровня торфяных болот.

6. Разработать методы верификации и оценки точности абсолютных высот и смещений земной поверхности.

7. При помощи разработанных методов и алгоритмов построить ЦМР и картировать смещения земной поверхности, оказывающие негативное влияние на объекты нефтеи газодобычи.

Научная новизна.

1. Предложен новый метод обработки интерферограмм, основанный на некогерентном усреднении комплексной выборки и позволяющий корректно выполнять развертку фазы для фрагментов, зашумленных вследствие высокой временной декорреляции амплитудно-фазовых изображений.

2. Впервые предложен метод численной оценки пригодности пары радиолокационных кадров для интерферометрической обработки, основанный на локальной корреляции амплитудных изображений.

3. Предложен метод привязки радиолокационных космоснимков на основе выделения на амплитудных изображениях эхо-откликов, соответствующих отражениям сигнала от техногенных объектов.

4. Впервые методом радиолокационной интерферометрии получены численные значения долговременных просадок блоков земной коры на фоне сезонных изменений уровня торфяных болот.

Достоверность.

Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечивается использованием методов и подходов, описанных в научной литературе, апробированных и хорошо себя зарекомендовавших при проведении научных исследований. Корректность построенных ЦМР обеспечивается указанием точности расчетных значений. Карты смещений, полученные методом РСА интерферометрии, на качественном уровне согласуются с положением мульды оседания, построенной на основе интерпретации данных высокоточных геодезических измерений, что свидетельствует о практической пригодности предлагаемых методов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод предварительного анализа больших объемов радарных космоснимков на основе численного критерия пригодности пары кадров для интерферометрической обработки.

2. Методика выбора исходных радарных данных, основанная на оценке влияния условий радиолокационной съемки и состояния отражающей поверхности на когерентность разновременных радиолокационных сигналов и позволяющая получать интерферограммы с наибольшим соотношением сигнал/шум.

3. Метод обработки интерферограмм, использующий некогерентное усреднение соседних пикселов и позволяющий получить фазовую развертку для фрагментов, зашумленных вследствие высокой временной декорреляции.

4. Результаты применения разработанного метода для мониторинга вертикальных смещений земной поверхности обусловленных извлечением углеводородов на нефтегазовых месторождениях. Публикации.

По результатам диссертационной работы опубликовано 15 работ, из них.

2 в журналах, рекомендованных ВАКрезультаты исследований отражены в.

3 отчетах о НИР.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Работа изложена на 180 страницах, содержит 77 рисунков, 21 таблицу, библиографический список из 83 наименований.

4.5. Выводы к четвертой главе.

На основании результатов применения разработанных методов для мониторинга смещений земной поверхности на эксплуатируемых месторождениях сделаны следующие выводы:

1. Обработка интерферометрических пар с минимальной временной базой является простой задачей, т.к. в данном случае влияние временной и пространственной декорреляции минимально и в результате получаются точные карты смещений, позволяющий оценить величину сезонных подвижек.

2. При построении опорных ЦМР с использованием предложенных методов удалось достичь точности расчета высот 5 м, что в 2 раза превышает точность ЦМР, полученных по результатам миссии 8ЫТМ.

3. Применение разработанных методов для мониторинга смещений поверхности Самотлорского месторождения позволило построить карту смещений, отражающую подвижки связанные с извлечением нефти, которая согласуется с материалами высокоточных наземных измерений.

4. В случае недостаточной развернутости геодинамического полигона на Губкинском газовом месторождении и нехватке материалов наземных измерений, радиолокационная интерферометрическая съемка способна дополнить в результаты проводимых геодезических исследований.

5. ЦМР построенные на основе интерферометрических пар с короткой пространственной базой не обладают высокой точностью, но при драпировании оптическими снимками позволяют выделять элементы рельефа и разломные структуры.

Заключение

.

1. Разработан метод обработки интерферограмм, основанный на стохастической модели радиолокационной интерферометрии и использующий некогерентное усреднение комплексной выборки для устранения некоррелируемого шума. Метод позволяет корректно вычислять абсолютную фазу для областей с низкой когерентностью и рассчитывать высоты рельефа с точностью до 5 м и смещения до 2 см.

2. Предложенным методом обработки интерферограмм, зашумленных вследствие высокой временной декорреляции, построены опорные ЦМР, с использованием которых получены площадные оценки сезонных вертикальных смещений. Установлено, что отрицательные смещения земной поверхности связаны с разгрузкой болот в речную сеть, положительные — с поднятием уровня воды в торфяных болотах на границе бессточных областей и антропогенных (объекты нефтедобычи) площадях.

3. Установлены оптимальные условия радиолокационной съемки для получения интерферограмм минимально разрушенных временной декорреляцией:

• при использовании РСА снимков С-диапазона благоприятным временным периодом для получения достаточно информативных интерферограмм является позднее лето и осень, когда происходят наименьшие изменения в структуре растительных покровов;

• для территории ХМАО, на которой преобладают заболоченные и лесные ландшафты, предпочтительно использовать снимки Ь-диапазона;

• достаточной информативностью обладают пары снимков в Ь-диапазоне, полученные с интервалом до двух лет независимо от сезона и состояния природных ландшафтов.

4. На основе разработанного метода предварительного анализа радарных данных реализована пакетная обработка архивов кадров приборов ЕМУ18АТА8АК и ЕЯ8−28АЛ с целыо расчета когерентности для дальнейшего визуального анализа и выделения интерферометрических пар, пригодных для построения ЦМР и расчета смещений. Предложенный критерий пригодности позволяет однозначно определить применимость пары радиолокационных космоснимков для интерферометрической обработки.

5. Экспериментально определена степень превышения уровня обратного отражения над фоновым для искусственных и техногенных уголковых отражателей на амплитудных изображениях в X, С, Ь диапазонах. Предложен метод привязки радиолокационных кадров, основанный на использовании ярких точек от объектов нефтедобычи, являющихся техногенными уголковыми отражателями.

6. Предложено использовать метод фильтрации фазового шума интерферограмм, позволяющий сохранить, детальную информацию о рельефе земной поверхности при построении опорных ЦМР.

7. Построены карты долговременных смещений (до 2 лет) на районы интенсивной нефтедобычи ХМАО и ЯНАО. При учете величин сезонных смещений удалось выделить подвижки земной поверхности, связанные с добычей полезных ископаемых. Использование значений смещений, измеренных высокоточными методами на пунктах геодинамических полигонов, позволяет построить карту деформации в абсолютных или относительных величинах.

8. Разработана и применена методика оценки точности построенных ЦМР и карт смещений на основе топографических карт и высокоточных измерений на геодинамических полигонах.

9. Разработанные методы используются в работах по горно-экологическому мониторингу на территории нефтяных и газовых месторождений. Карты смещений, построенные на основе интерферометрической обработки радиолокационных космоснимков, позволяют уточнить и скорректировать границы мульды оседания, полученные по результатам геодезических измерений на геодинамических полигонах.