WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

• хоздоговорная НИР 70-07-1 «Подготовка демонстрационных материалов, подтверждающих необходимость использования материалов космической съемки для выявления и картографирования зон повышенной экологической нагрузки на территории ЯНАО и ХМАО и просадок почвы над подземными трубопроводами» между ЮНИИ ИТ и ОАО «Промгаз», 2007 г.;

• хоздоговорная НИР 247-08/СНГ-0009/08 «Горно-экологический мониторинг на территории горного отвода Самотлорского месторождения нефти с учетом анализа выполненных работ при заложении наблюдательной геодезической сети» между ЗСФ ИНГГ СО РАН и ОАО «Самотлорнефтегаз», 2008 г.;

• хоздоговорная НИР 280-08 «Геодинамический мониторинг на Губкинском техногенном полигоне» между ЗСФ ИНГГ СО РАН и ЗАО «Пургаз», 2009 г.

Использование результатов исследований и разработок подтверждено актом о внедрении.

Научно-практическая значимость работы:

Разработанные программные средства на базе предложенного метода позволяют проводить обработку больших архивов радиолокационных кадров с целью определения пригодных для расчетов интерферометрических пар.

Сформулированные критерии отбора следует учитывать при выборе РСА снимков для мониторинга смещений на территории Западной Сибири, либо ландшафтов с преобладанием торфяных болот. Использование разработанных методов в работах по горно-экологическому мониторингу нефтегазовых месторождений позволяет сократить объем геодезических измерений, проводимых на геодинамических полигонах.

Вклад автора Разработка и программная реализация метода предварительной обработки архивов РСА данных. Проведение подспутниковых экспериментов с уголковыми отражателями и полевых обследований торфяных болот и объектов нефтедобычи.

Обработка данных интерферометрической съемки и построение карт вертикальных смещений в соответствии с предложенными методами.

Публикации По результатам диссертационной работы опубликовано 15 работ, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК; результаты исследований отражены в 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, таблицу, библиографический список из 83 наименований.

Краткое содержание работы Во введении излагаются современное состояние и актуальность темы, формулируется направление исследований. Обозначаются цели, научная новизна и значимость работы. Приводятся основные результаты, представленные к защите, обсуждаются научная и практическая ценность работы, достоверность полученных результатов.

Первая глава диссертации дает общее представление об используемых исходных данных, инструментах и методах исследования.

В начале раздела дается представление о спутниковой радиолокации и геометрии РСА съемки. В настоящее время на орбите работает множество радиолокационных спутников (ERS, ENVISAT, RADARSAT, ALOS, TerraSAR-X, Cosmo-SkyMed), которые различаются по диапазонам длин волн: L (23см), C (5.6см), X (3см), поляризации зондирующего излучения и параметрам съемки (пространственное, радиометрическое разрешение, полоса обзора, период повторного пролета). Их характеристики и особенности обработки получаемой с них информации проанализированы и описаны в первом разделе.

Описаны геометрические и физические основы радиолокационной интерферометрии. В обработке участвуют два изображения, полученные сенсором при повторном пролете космического аппарата над одной и той же территорией. Интерферограмма получается путем перемножения двух радиолокационных сигналов, представленных в комплексном виде:

* j1 j(1-2 ) j I = S1 S2 = Ae Ae- j2 = AA2 e = AA2 e (1) 1 2 1 где: I – комплексная интерферограмма, S1 – комплексный сигнал, принятый при * первой съемке, S2 – комплексно-сопряженный сигналу, принятому при второй съемке, A1, A2 – амплитуды сигналов, 1, 2 – фазы сигналов, – результирующая (интерферометрическая) фаза.

Фаза интерферограммы прямо пропорциональна разности длин оптических путей, проходимых радиосигналами при разновременной съемке, и состоит из нескольких составляющих:

=topo +def +atm +n (2) где topo – фазовый набег за счет обзора топографии под двумя разными углами, def – фазовый набег за счет смещения поверхности в период между съемками, atm – фазовый набег за счет различия длин оптических путей из-за преломления в среде распространения сигнала, n – вариации фазы в результате спекл-шума, вызванного неполной компенсацией фазы переотражений в виду переориентации точечных объектов и их перемещения внутри элемента разрешения.

Основу вычислений составляют манипуляции с разностью фаз отраженных сигналов, в результате которых можно получить возвышение одного отражающего элемента поверхности относительно другого, а также смещения, произошедшие за время между съемками. Влияние атмосферы на интерферометрическую фазу пренебрежимо мало, поэтому составляющая atm исключается из рассмотрения. Фазовый шум n устраняется при помощи фильтрации интерферограммы. Остаточная фаза p отражает высоту поверхности над опорным эллипсоидом H и смещения произошедшие за время p между повторными съемками Dp.

B, p p =exp +topo +def = Bsin(p -) - H - Dp, (3) R1, p sinp p где exp – ожидаемая фаза, рассчитываемая из модели опорного эллипсоида, – длина волны зондирующего сигнала, B – расстояние между антенной при повторных пролетах (длина базовой линии), p – угол обзора поверхности, начальное значение которого рассчитывается относительно опорного эллипсоида, – угол наклона базовой линии, B, p – перпендикулярная составляющая базовой линии, R1, p – расстояние от антенны до точки на поверхности.

Первая компонента формулы 3 представляет собой ожидаемую фазу, рассчитываемую на основе модели опорного эллипсоида и ЦМР низкого разрешения. Рельеф отражающей поверхности отражен во второй компоненте и проявляется тем больше, чем больше значение перпендикулярной базовой линий B, p. В случае расчета смещений из фазы интерферограммы выделяется третья компонента, а рельеф устраняется при помощи ЦМР высокого разрешения.

Некоррелируемый фазовый шум n вносит значительный погрешности при высот и смещений земной поверхности, а в крайних случаях разрушает фазу интерферограммы. Это происходит в виду значительных изменений условий отражения электромагнитной волны от земной поверхности за период между повторными пролетами (временная декорреляция), а также вследствие съемки с разных положений КА (пространственная декорреляция). Величина когерентности (от 0 до 1) отражает степень разрушения интерферограммы, вычисляется как корреляция двух сигналов в комплексном виде и является мерой пригодности пары снимков для дальнейшей обработки.

* S1S =, (4) 2 S1 Sгде – комплексная когерентность, S1, S2 – комплексные значения отраженных сигналов при первом и втором пролете соответственно.

Рассмотрены этапы интерферометрической обработки в соответствие со схемой, приведенной на рисунке 1, а также применяемые алгоритмы.

Первыйснимок Второйснимок Первыйснимок Второйснимок синтезированнаяфаза синтезированнаяфаза (master) (slave) (master) (slave) ЦМРнизкого Синтезфазына Совмещениеснимков ЦМРнизкого Синтезфазына Совмещениеснимков разрешения основепараметров разрешения основепараметров радарнойсъемки радарнойсъемки Модель Фильтрацияснимков Модель Фильтрацияснимков эллипсоида эллипсоида Расчет интерферограммы Расчет интерферограммы Выравниваниеинтерферограммы Выравниваниеинтерферограммы Наземныеконтрольныеточки Расчет когерентности Наземныеконтрольныеточки Расчет когерентности Фильтрацияинтерферограммы Фильтрацияинтерферограммы Разверткафазы Разверткафазы Коррекцияорбиты Коррекцияорбиты Удалениетопографии Удалениетопографии ЦМРвысокого ПостроениеЦМР ЦМРвысокого ПостроениеЦМР разрешения Пересчет фазывсмещения разрешения Пересчет фазывсмещения ЦМР ЦМР Картасмещений Картасмещений Рис.1. Этапы стандартной интерферометрической обработки На первом этапе производится совмещение радиолокационных снимков на основе орбитальных данных и локальной корреляции для достижения субпиксельной точности. Интерферограмма рассчитывается путем попиксельного перемножения совмещенных комплексных радиолокационных изображений. Для устранения быстрого набега разности фаз, возникающего вследствие разницы расстояний, проходимых сигналом при съемке с разных положений, производится выравнивание интерферограммы путем вычитания фазы, синтезированной из модели опорного эллипсоида. Фильтрация интерферограммы необходима для устранения шума, возникающего в результате пространственной и временной декорреляции. На этапе развертки фазы раскрывается неоднозначность определения высот, возникающая вследствие регистрации фазы сигнала сенсором в интервале от - до +. Уточнение параметров орбиты движения КА при помощи наземных опорных точек позволяет уточнить базовую линию, повышая тем самым точность результата. Пересчет фазы интерферограммы и указание истинных высот для набора опорных точек позволяет построить ЦМР в абсолютных величинах. Для оценки смещений земной поверхности необходимо устранить из фазы интерферограммы топографическую составляющую, рассчитанную из опорной ЦМР высокого разрешения. Для построения карты смещений производится пересчет интерферограммы, а указание наземных опорных точек позволяет рассчитывать абсолютные значения подвижек.

Приведен обзор программного обеспечения, реализующего полный цикл или отдельные этапы интерферометрической обработки (DORIS, RAT, IDIOT, GAMMA, SARscape, ROI_PAC, PolSARpro), рассмотрены возможности и недостатки каждого из пакетов. Наиболее оптимальными по требованиям к исходным данным и производительности являются пакеты DORIS и SARscape.

В заключение первого раздела приводится описание и анализ работ в области радиолокационной интерферометрии, раскрывая, таким образом, актуальность, цели и задачи диссертационной работы.

Вторая глава диссертации посвящена методике обработки и анализа больших объемов радарных данных и выбора отдельных пар снимков, основанной на исследовании зависимости когерентности радиолокационных сигналов от условий съемки и состояния земной поверхности.

На начальном этапе работы проведена обработка архива данных ENVISAT\ASAR (57 кадров), в котором присутствуют снимки нескольких районов нефтедобычи ХМАО за разные сезоны. В ходе работы с архивом не удалось рассчитать интерферограммы для большинства пар радиолокационных кадров. Стандартный алгоритм совмещения исходных кадров оказался не способен найти общие точки вследствие низкой когерентности радиолокационных сигналов, отраженных от поверхности при разновременной съемке. В ходе совмещения кадров для множества окон, равномерно распределенных по амплитудным изображениям, находится локальный сдвиг, при котором значение корреляции является максимальным. Вследствие низкого значения локальной корреляции для подавляющего большинства окон невозможно построить полином совмещения. Предлагается использовать численный критерий оценки пригодности пар радиолокационных, основанный на расчете локальной корреляции амплитудных изображений. Расчет проводится в соответствии с предложенной формулой:

N >0. Q = *100 (5) N full где N >0.2 – количество окон, для которых локальная корреляция больше порогового значения (0.2), N – общее количество окон (1200). Предложенный full критерий отражает в процентном отношении область перекрытия снимков, которая может быть обработана интерферометрическим методом.

В центре дистанционного зондирования Земли ЮНИИ ИТ накоплен значительный архив (57329 кадров) оперативно принимаемых с 2005 г.

радиолокационных данных ERS-2\SAR, который работает на орбите с апреля 1995 г., что позволяет восстанавливать многолетнюю динамику рельефа. В результате выхода из строя систем ориентации аппарата на орбите после аварии в 2001 г. получаемые снимки имеют большую ошибку в геопривязке (до 3000м) и являются малопригодными для интерферометрической обработки. Только для определенных пар кадров, у которых разница допплеровских центроидов не превышает половины частоты повторения зондирующих импульсов (1680Hz), возможно получить достаточно информативную интерферограмму. Одной из целей обработки архива кадров ERS-2\SAR является накопление достаточного объема данных для применения метода интерферометрии устойчивых отражателей (PSI – Persistent Scatterers Interferometry). Данный подход позволяет анализировать отдельные наиболее когерентные объекты, дающие высокий и устойчивый во времени уровень обратного отражения, и получать относительные смещения с точностью до 1мм.

Для обработки больших архивов РСА снимков ENVISAT\ASAR и ERS-2\SAR предложен и реализован метод, который объединяет проверку критических параметров интерферометрической съемки и численную оценку пригодности (формула 5). Для каждой интерферометрической пары рассчитываются значения перпендикулярной базовой линии, разности допплеровских центроидов, критерия пригодности, а также для визуального анализа строятся карты когерентности.

В результате на основе предложенного метода предварительного анализа из архива снимков ENVISAT\ASAR, выбрано 9 пар пригодных для интерферометрической обработки. В ходе обработки оперативно принимаемых данных ERS-2\SAR исключается большой объем снимков непригодных для интерферометрии.

Точность результатов интерферометрической обработки напрямую зависит от геометрии и параметров радиолокационной съемки при первом и втором пролете, а также соотношения сигнал/шум на интерферограмме, которое определяет ее информативность. Основным источником шума является изменение фазы сигнала при отражении от поверхности (фаза переотражения). При расчете интерферограммы фазы переотражения компенсируются не полностью, что приводит к временной и пространственной декорреляции интерферограммы. Для разработки методики выбора исходных радарных данных проведен анализ влияния длины волны зондирующего излучения, пространственной и временной базы, сезона съемки и ландшафтов поверхности на когерентность пар разновременных кадров. Установлено, что для РСА C-диапазона пригодной является съемка, выполненная с мая по октябрь. Максимальная временная база, при которой не происходит декорреляции интерферограммы, составляет 70 суток.

Расстояние между РСА при повторных пролетах не должно превышать 700м, иначе это приводит к разрушению интерферометрической фазы в виду пространственной декорреляции. Следует заметить, что, исходя из теоретических расчетов, критическое значение длины базовой линии для ASAR в этом режиме съемки (угол обзора 23°, пространственное разрешение 30м) составляет 1.2км.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |






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