МОНИТОРИНГ ОСЕДАНИЙ НА ТЕРРИТОРИИ Г. БЕРЕЗНИКИ (ПЕРМСКИЙ КРАЙ) МЕТОДАМИ СПУТНИКОВОЙ РАДАРНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

В работе обсуждаются методические вопросы проведения мониторинга оседаний земной поверхности над горными выработками в г. Березники, Пермского края, на основе спутниковой радарной интерферометрии. Оседания грунта, вызванные горными работами, в г. Березники происходили многие годы, но их скорость долгое время оставалась небольшой. Ситуация резко изменилась в 2006 году, когда произошла крупнейшая в мировой практике разработки водорастворимых руд авария - был затоплен рудник Первого Березниковского калийного рудоуправления (БКПРУ-1). Рудник расположен непосредственно под г. Березники, вторым по величине городом Пермского края, с населением около 150 тыс. человек [Барях А.А., Санфиров, Дягилев, 2013].
После аварии был существенно расширен комплекс мер по предотвращению дальнейших оседаний и по контролю эффективности этих работ. Регулярно проводятся повторные геодезические и гравиметрические измерения, регистрируется техногенная сейсмичность. Выполняется численное геомеханическое моделирование [Барях, Самоделкина, 2017], разработана и реализована система комплексного мониторинга, позволяющая принимать превентивные решения по защите рудников и расположенных в зоне их влияния селитебных территорий [Барях, Санфиров, Дягилев, 2013]. Для территории г. Березники также выполнялись оценки полей смещений методами радарной спутниковой интерферометрии [Гневанов, Шамин, 2012; Михайлов и др., 2019; Samsonov, Baryakh, 2020], в том числе в течение нескольких лет выполнялся регулярный спутниковый мониторинг [Буш и др., 2009]. В 2020 году после длительного перерыва спутниковый мониторинг был нами возобновлен с использованием снимков спутников TerraSAR-X и Сентинель-1.
В наших исследованиях использовались снимки немецкого спутника Х- диапазона TerraSAR-X, имеющие высокое пространственное разрешение. Размер элемента разрешения (пикселя) перпендикулярно орбите составляет 0.9 м, вдоль направления полета - 1.9 м. Съемка территории выполнялась с минимально возможным интервалом в 11 дней с 28 апреля по 1 ноября 2020 года, размер снимка равен примерно 30 на 50 км. Для подавления высокочастотных помех было выполнено пространственное осреднение перпендикулярно орбите (эта процедура в англоязычной литературе называется multilooking), в результате размер пикселя стал равен 1.8 х 1.9 м.
Для регулярного анализа смещений использовались парные интерферограммы, рассчитанные с интервалом 11 и 22 дня, т.е. для двух ближайших по времени снимков и через один. Также регулярно рассчитывались поля смещений за 33 дня, путем суммирования результатов за 11 и 22 дня. Такая стратегия принята потому, что на большей части территории смещения за 11 дней невелики, и связанная с ними разность фаз отраженных сигналов находится на уровне шумов. На интервалах 22 и 33 дня соотношение сигнал/шум существенно выше. Парные интерферограммы позволяют выполнять мониторинг процесса оседаний с небольшой задержкой по времени.
Также была собрана серия снимков спутника европейского космического агентства Сентинель-1B, который снимает обширную область вокруг г. Березники с интервалом в 12 дней в С-диапазоне. Съемка имела перерывы, поэтому за период с 3 мая по 18 октября 2020 г. от Европейского космического агентства ESA получено 13 снимков с нисходящей орбиты трека 35D. Размер снимка 150 на 250 км. Снимки имеют меньшее разрешение (размер пикселя перпендикулярно орбите 2.32 м, вдоль орбиты 13.9 м), но более устойчивы к атмосферным помехам. Расчеты смещений по парам снимков спутника Сентинель-1В, имеющего большую длину волны, оказались не столь устойчивыми. Из-за более низкой когерентности карты смещений, полученные по снимкам этого спутника, менее детальны, поэтому снимки спутника Сентинель-1В рекомендуется использовать для расчета временных рядов смещений методами устойчивых отражателей.
В тех случаях, когда смещения имеют длительный устойчивый характер, весьма эффективным оказывается суммирование смещений, полученных по парным интерферограммам. Различного рода помехи (атмосферные эффекты, термический шум, ошибки, связанные с неточным знанием орбит и цифровой модели рельефа) не коррелируют во времени, поскольку зависят от состояния атмосферы, от точности определения конкретной орбиты в момент съемки. Отметим, что ошибки, связанные с ошибками ЦМР, коррелируют с величиной расстояния между спутниками при съемке первого и второго снимков, поэтому эти ошибки также не коррелированы во времени. В результате суммирование позволяет эффективно подавлять помехи и выделять полезный сигнал, особенно если его амплитуда со временем увеличивается. Посчитать смещения по паре снимков, выполненных с интервалом по времени в 187 дней, не удается из-за потери корреляции на больших временных интервалах.
Также для оценки смещений к сериям радарных снимков спутников TerraSAR-X и Сентинель – 1В были применены методы устойчивых отражателей. Полученные оценки смещений близки к результатам суммирования парных интерферограмм, но местами менее детальны.
Полученные результаты хорошо согласуются с данными геодезии, сопоставление с которыми будет представлено в докладе. Спутниковый мониторинг позволяет рассчитывать поля смещений по мере получения радарных снимков (для спутников TerraSAR период съемки составляет 11 дней), при этом снимки покрывают обширные территории. Данные РСА интерферометрии являются важным дополнением к наземным геодезическим работам, проводимым с высокой точностью по сети реперов или вдоль профилей, обычно не чаще 2-3 раза в год.
Результаты расчетов позволяют заключить, что, несмотря на то, что провалы продолжают оседать, в целом принятые меры по стабилизации оседаний работают эффективно.
Работа выполнена в рамках государственного задания Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук.