Спутниковый радиолокационный мониторинг деформаций земной поверхности в зоне землетрясения с использованием данных наземных GPS-измерений

В Научном центре оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ) ОАО «Российские космические системы» проводится отработка комплексных технологий интерферометрической и дифференциальной интерферометрической обработки данных перспективных российских радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА) с использованием тестовых данных современных зарубежных РСА. Исследуются практические возможности использования данных разных диапазонов для построения цифровых моделей местности (ЦММ) и цифровых карт смещений (ЦКС) по территории Российской Федерации; проводится выбор оптимальных алгоритмов совмещения, фильтрации и развертки фазы для различных типов подстилающей поверхности.

Проведено несколько циклов интерферометрической обработки данных РСА COSMO-SkyMed (Италия), работающего в коротковолновом Х-диапазоне с длиной волны излучения 3,1 см, включая: (1) серию из четырех изображений по территории Астраханской области, (2) серию из трех изображений по территории Краснодарского края (Черноморское побережье в районе г. Сочи) и (3) серию из 15 изображений по территории Амурской области (вблизи г. Шимановск).

Съемка выполнена в период времени с ноября 2009 г. по январь 2010 г. в маршрутном режиме съемки HIMAGE с пространственным разрешением 3 м и размером кадра 40 х 40 км 2 . Кроме того, проведена интерферометрическая обработка данных РСА ALOS/PALSAR (Япония), работающего в длинноволновом L-диапазоне с длиной волны излучения 23,6 см; данные РСА ALOS/PALSAR получены по территории тестового полигона в Тверской обл. в период времени с декабря 2006 г. по февраль 2008 г. в маршрутном режиме съемки FBS с пространственным разрешением 7 м и размером кадра 70 х 70 км 2 [1].

Цель – отработка основных процедур дифференциальной интерферометрической обработки с использованием данных европейского РСА ASAR/ENVISAT (С-диапазон, длина волны излучения 5,6 см) по зоне землетрясения в Японии (11.03.2011 г.) и результатов прецизионных наземных GPS-измерений; выбор данной территории обусловлен возможностью одновременного доступа к спутниковым и наземным данным, размещенных в открытом доступе в сети Интернет (Группа по наблюдению Земли. URL: http://supersites. . Даты съемки – 19.02.2011 г. и 21.03.2011 г. Режим съемки – IMS, пространственное разрешение 30 м. Общие размеры отснятой территории - 738 х 72,5 км2. Обработка проводилась с использованием программного пакета SARscape 4.3 (фирма Sarmap s. a., Швейцария) и опорной цифровой модели местности SRTM V4 [2].

Основные результаты обработки. На первом этапе исследований проведен анализ зависимости средних значений когерентности от размеров окна, используемого при проведении расчетов; полученные результаты показали, что при изменении размеров окна с 3 х 3 до 21 х 21 имело место их монотонное падение с 0,23 до 0,13 – очень низкий уровень когерентности изображений [2].

Особое внимание уделено анализу предельных возможностей фильтрации в рамках модифицированного метода Goldstein; данный метод особенно эффективен при фильтрации сильно зашумленных интерферограмм [2]. Установлено, в частности, что при изменении размера dIW квадратных фрагментов, на которые разбивается интерферограмма для проведения быстрого преобразования Фурье (БПФ), от 32 до 4 096 пикселей имело место резкое увеличение площади той части интерферограммы, которая характеризовалась достаточно четкой структурой интерференционных полос [2].

Необходимо отметить, что наиболее существенные ошибки в процессе формирования ЦКС могут возникать по следующим основным причинам:

• 1)    программа развертки фазы может не «обнаружить» некоторое количество интерференционных полос, а «неучет» каждой полосы, приводит к уменьшению максимальной величины смещений на величину, равную половине длины волны сигнала РСА, т. е. 2,8 см;

• 2)    происходит формирование ложных полос вследствие фильтрации сильно зашумленных интерферограмм с использованием экстремально высоких значений параметров процедуры фильтрации, причем по

аналогии с предыдущим случаем появление каждой такой полосы приводит к ошибке в 2,8 см, но теперь уже в сторону завышения оценки для максимальной величины смещений.

Для оценки общего диапазона возможных ошибок в ЦКС, связанных с фильтрацией интерферограммы, выполнена операция развертки фазы (методом Minimum Cost Flow, рекомендованным для использования в случае сильно зашумленных интерферограмм [3; 4]) для восьми интерферограмм, со значениями ключевого параметра процедуры фильтрации d IW , равными, соответственно, 32, 64, 128, 256, 512, 1 024, 2 048 и 4 096 пикселям. Далее выполнена операция преобразования фазы в смещения и последующего геокодирования, на выходе которой сформированы следующие восемь ЦКС (нижний индекс соответствует значению параметра d IW ): ЦКС 32 , ЦКС 64 , ЦКС 128 , ЦКС 256 , ЦКС 512, ЦКС 1024, ЦКС 2048 и ЦКС 4096 . Для каждой из 8 ЦКС определены минимальные и максимальные значения получаемых оценок для величин смещений земной поверхности. Показано, что при изменении параметра d IW от 32 до 4 096 пикселей общий диапазон изменения оценок для максимальных значений смещений оказался равным 63 см. Таким образом, некорректный выбор значения параметра d IW способен привести к возникновению очень серьезных ошибок.

Отработка методики выбора оптимального значения параметра d IW проводилась с дополнительным использованием прецизионных результатов подспутниковых GPS-измерений, находящихся в открытом доступе. Проанализирован «косейсмический» файл с данными GPS-датчиков, установленных в зоне землетрясения, в котором зафиксированы величины основных смещений земной поверхности. В результате предварительного анализа отобраны девять GPS-датчиков – по три датчика в областях максимальных, средних и относительно невысоких деформаций земной поверхности (с модулями векторов смещений в диапазоне от 313 до 362 см для первой области, от 176 до 212 см для второй и от 78 до 91 см для третьей).

Для количественного сопоставления результатов спутникового радиолокационного мониторинга и подспутниковых GPS-измерений необходимо рассчитать величины проекций векторов смещений каждого из девяти GPS-датчиков на направления от GPS-датчиков на РСА, чтобы обеспечить их «стыковку» с данными рассчитанных ранее восьми ЦКС (дифференциальная интерферометрия «работает» только с одним компонентом смещений земной поверхности – проекцией смещений на направление наклонной дальности; другие компоненты смещений не влияют на фазовый компонент радиолокационного сигнала, который РСА регистрирует одновременно с амплитудой). С этой целью в координатах East/North/Vert реализована специальная достаточно простая расчетная схема, в рамках которой рассчитывались:

• 1)    направляющие косинусы для векторов смещений GPS-датчиков;

• 2)    направляющие косинусы для направлений от GPS-датчиков на РСА;

• 3)    значения косинуса угла между направлениями векторов смещений GPS-датчиков и направлениями от GPS-датчиков на РСА;

• 4)    искомые величины проекций векторов смещений GPS-датчиков на направления от GPS-датчиков на РСА.

Величины смещений, полученные по ЦКС для координат трех GPS-датчиков из области относительно невысоких деформаций, имели очень слабую зависимость от значений параметра d IW . При изменении этого параметра от 32 до 4096 пикселей отклонения от среднего уровня в среднем не превышали 1 см. Результаты расчетов величин проекций векторов смещений GPS-датчиков на направления от GPS-датчиков на РСА отличались от этих средних значений всего на 4, 0,5 и 7 см, соответственно.

Напротив, величины смещений, полученные из ЦКС для координат GPS-датчиков из области максимальных деформаций земной поверхности, имели сильную зависимость от значений параметра d_IW . При изменении этого параметра в тех же пределах – от 32 до 4096 пикселей – значения величин смещений возрастали на 68, 68 и 66 см, соответственно. Сопоставление полученных результатов наземных наблюдений и результатов спутниковых измерений позволило установить, что наземные данные во всех трех случаях чуть превышают величины оценок, полученных с помощью ЦКС 64 (на 4, 6 и 7 см, соответственно) и относительно заметно ниже, чем данные из ЦКС 128 (на 24, 23 и 22 см соответственно).

Результаты, полученные для второй, промежуточной, группы GPS-датчиков из области средних деформаций, в целом соответствуют аналогичным результатам для области максимальных деформаций. Результаты наземных наблюдений также достаточно близки к соответствующим значениям из ЦКС 64 (их разность равна, соответственно, 14, 2 и 4 см). При изменении параметра d IW в пределах от 32 до 4 096 пикселей значения величин смещений также возрастают очень значительно – на 54, 71 и 31 см, соответственно.

Итак, продемонстрировано достаточно разумное согласование результатов спутниковых и наземных наблюдений и показано, что оптимальное значение параметра d IW оказалось равным 64 пикселям.

В заключение необходимо отметить, что представленные результаты получены с использованием достаточно ограниченного массива данных наземных наблюдений и по этой причине их следует рассматривать как предварительные. Планируется, что повторный цикл исследований с использованием более полного объема наземных данных будет выполнен с использованием новой версии 5.0 программного пакета SARscape, в которой предусмотрена возможность автоматического выполнения всех процедур сравнительного анализа результатов дифференциальной интерферометрической обработки данных РСА и результатов измерений наземных GPS-датчиков.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

• 1.    Выполнен совместный анализ результатов дифференциальной интерферометрической обработки данных РСА ASAR/ENVISAT и подспутниковых GPS-

• измерений по зоне землетрясения в Японии с использованием программного пакета SARscape 4.3.

• 2.    Показана сильная зависимость характеристик создаваемых ЦКС от основных параметров обработки. На примере ключевого параметра процедуры фильтрации в рамках метода Goldstein – размера фрагмента интерферограммы для проведения БПФ – продемонстрированы возможности разработанной методики для выбора оптимальных значений параметров обработки с использованием данных наземных GPS-измерений.

• 3.    Полученный опыт интерферометрической и дифференциальной интерферометрической обработки будет использован при разработке программного обеспечения перспективных российских РСА.

• 4.    Перспективы развития связаны с отработкой высокоточных методов постоянных отражателей PS и малых базовых линий SBAS, основанных на одновременной обработке большого числа радиолокационных изображений.