WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |

На правах рукописи

Филатов Антон Валентинович МЕТОД ОБРАБОТКИ КОМПЛЕКСНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ИНТЕРФЕРОГРАММ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЙ ВРЕМЕННОЙ ДЕКОРРЕЛЯЦИИ Специальность 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Барнаул – 2009

Работа выполнена в Автономном учреждении Ханты-Мансийского автономного округа – Югры «Югорский научно-исследовательский институт информационных технологий»

Научный консультант: кандидат физико-математических наук, доцент Евтюшкин Аркадий Викторович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Суторихин Игорь Анатольевич кандидат физико-математических наук, с.н.с.

Захаров Александр Иванович

Ведущая организация: Институт космических исследований РАН

Защита диссертации состоится 12 ноября 2009 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.005.03 в ГОУ ВПО "Алтайский государственный университет" по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.

Автореферат разослан октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.Д. Рудер

Общая характеристика работы

Актуальность темы Эффективным методом, позволяющим получать площадные оценки вертикальных и плановых смещений земной поверхности, является радиолокационная интерферометрия. Преимуществом радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА) 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. 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. 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.

Спутниковая радиолокационная интерферометрия является единственным методом дистанционного зондирования, обеспечивающим высокую точность определения высот и смещений за счет использования фазовой компоненты сигнала. 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 10см до 1м, произошедших по причине крупных землетрясений, оползней или извержений вулканов.

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.



Метод дифференциальной интерферометрии, на основе которого строятся карты смещений, требует наличия опорных цифровых моделей рельефа (ЦМР) отражающей поверхности, 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. Возникает необходимость построения ЦМР высокого разрешения для использования в качестве опорной поверхности в процессе интерферометрической обработки.

В настоящее время создано множество коммерческих и свободно распространяемых программных пакетов (SARscape, GAMMA, Photomod Radar, ERDAS Imagine, RAT, DORIS, PolSARpro, ROI PAC), реализующих интерферометрическую обработку радиолокационных космоснимков. Пакеты в открытых кодах также содержат описание математических методов, на которых основываются отдельные этапы интерферометрической обработки. Происходит постоянное развитие метода радарной интерферометрии на основе интеграции опыта обработки данных на различные территории Земли и новые приложения, возникающие в связи с совершенствованием приборов спутникового дистанционного зондирования. 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 данных новых РСА. В частности, отсутствуют эффективные методы обработки интерферограмм при наличии сильного зашумления фазы вследствие высокой временной декорреляции амплитудно-фазовых изображений.

Таким образом, развитие методов обработки данных радиолокационного зондирования Земли для мониторинга смещений в условиях высокой временной декорреляции характерной для территории нефтегазовых месторождений Западной Сибири является актуальной научно-технической задачей.

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 нефте- и 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.

Научная апробация результатов Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9 научных и научно-практических конференциях:

1. III и IV Научно-практическая конференция «Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования» (ХантыМансийск 2006, 2008) 2. IV и VI Всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва 2006, 2008) 3. I Международная конференция «Космическая съемка – на пике высоких технологий» (Москва, 2007) 4. XI и XII Региональная конференция по математике «МАК» (Барнаул 2008, 2009) 5. VI Международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2008) 6. II Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2009) На VI Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» автором получена награда за лучший доклад в секции «Спутниковые методы в геологии и геофизике».

Реализация и внедрение результатов работы Исследования, результаты которых включены в работу, проводились в 20062008 гг. в рамках научных и госбюджетных программ:

• гранта Европейского космического агентства ESA ENVISAT-AO ID «Environmental pollution monitoring over the oil and gas exploitation regions (northern parts of Russia) using ENVISAT data»;

• гранта Европейского космического агентства ESA Category-1 ID 3166 «InSAR application for monitoring of ground displacement in areas of an intensive oil recovery in Western Siberia»;

• гранта Японского аэрокосмического агентства 07/JAXA/ASP No. «Detection of earth surface displacements in area of intensive oil production by radar interferometry»;

• госконтракта ЮНИИ ИТ на НИР 2005-2007 гг. «Развитие систем оперативного мониторинга и предсказания природных и техногенных процессов в ХантыМансийском автономном округе – Югре на основе данных дистанционного зондирования Земли из космоса, наземных измерений, геоинформационных систем и имитационного математического моделирования». Номер гос.

регистрации НИР 0120.0 508578;

• госконтракта ЮНИИ ИТ на НИР 2006 г. «Разработка комплексной технологии поиска и разведки углеводородов в сложно построенных, глубокозалегающих месторождениях» по госконтракту от 10.11.2005 г. № 02.467.11.7008 в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002-2006 годы». Номер гос. регистрации НИР 0120.0 511056;

• госконтракта ЮНИИ ИТ на НИР 2008-2010 гг. «Информационно-космические технологии рационального природопользования». Номер гос. регистрации НИР 0120.0 851042.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при выполнении хоздоговорных НИР, в которых автор являлся исполнителем:

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»