Комплексный анализ результатов интерферометрической обработки радиолокационной спутниковой съемки при мониторинге оползневых процессов

Мониторинг экзогенных воздействий на объекты инфраструктуры железнодорожного транспорта является одним из инструментов обеспечения комплексной безопасности перевозок, позволяющим осуществлять своевременное выявление воздействия неблагоприятных факторов природного и техногенного генеза, оценку состояния геотехнической системы, прогноз развития наблюдаемых процессов и организацию мероприятий, направленных на предотвращение аварийных ситуаций. Организация мониторинга с использованием материалов спутниковой съемки в составе системы комплексного геотехнического мониторинга инфраструктуры позволяет осуществлять контроль ситуации за пределами полосы отвода - в охранных зонах и на прилегающих, зачастую труднодоступных, территориях, обеспечивая возможность своевременно выявлять источники потенциально опасных воздействий, вызывающих так называемые внезапные деформации пути. Применение при этом данных со спутниковых систем, оснащенных радиолокационной аппаратурой с синтезированной апертурой (РСА) обусловлено рядом преимуществ данного метода дистанционных исследований процессов на земной поверхности. Современные методы обработки информации со спутниковых РСА позволяют контролировать незначительные смещения земной поверхности, зданий и сооружений с субсантиметровым уровнем точности, обеспечивая возможность мониторинга геодинамических процессов.
С 2010 г. на участке Туапсе–Адлер Северо-Кавказской железной дороги эксплуатируется технология мониторинга потенциально опасных природно-техногенных воздействий на объекты железнодорожной инфраструктуры, разработанная ОАО «НИИАС» в рамках международного научно-технического сотрудничества между ОАО «РЖД» и итальянской корпорацией «Finmeccanica/Telespazio». Технология основана на использовании результатов высокоразрешающей спутниковой съемки, осуществляемой радиолокационной группировкой COSMO-SkyMed, и последующей дифференциальной интерферометрической обработки этих данных по методу PSP (Persistent Scatterer Pairs). Анализ получаемых детальных картограмм с маркированными устойчивыми отражателями радиолокационного сигнала и оценками скорости их смещений позволяет картировать области опасных геодинамических процессов и выявлять участки их воздействия на путь и другие объекты железнодорожной инфраструктуры, осуществлять мониторинг оползневых склонов, на ранней стадии обнаруживать активизацию опасных процессов, осуществлять контроль стабильности зданий и сооружений, а также оценку эффективности проводимых мероприятий по защите инфраструктуры от разрушительных воздействий.
Железнодорожная линия Туапсе–Адлер эксплуатируется в сложных ландшафтно-климатических и инженерно-геологических условиях, усугубляемых активным хозяйственным освоением окружающей территории, и подвергается постоянному воздействию абразионных и склоновых процессов практически на всем протяжении, а также русловых процессов в местах пересечения постоянных водотоков. Оползневые процессы распространены на значительной части протяженности участка и являются преобладающей причиной регистрируемых на участке опасных воздействий на путь и другие объекты железнодорожной инфраструктуры.
Эксплуатация технологии мониторинга продемонстрировала необходимость тщательного анализа и интерпретации результатов обработки радиолокационной данных при наблюдении процессов на оползневых склонах, что связано в первую очередь с особенностями геометрии наблюдения и формирования снимков земной поверхности при использовании радиолокаторов бокового обзора. Формируемые карты смещений отражают перемещения объектов на земной поверхности в проекции на ось, направленную на космический аппарат (КА) в момент проведения съемки. Это приводит к невозможности разделения вертикальных просадок от смещений объектов по склонам, а также к нечувствительности дифференциальной интерферометрии к смещениям, происходящим в плоскости, перпендикулярной направлению на КА. Выявляемые в результате дифференциальной интерферометрии устойчивые отражатели неравномерно распределяются по наблюдаемой территории. Часть оползневых склонов покрыта густой растительностью, что затрудняет выявление на них устойчивых отражателей в силу низкой когерентности регистрируемого сигнала, особенно при съемке в коротковолновом X диапазоне. Часть склонов экранируется складками рельефа, на участках активных оползней или проведения профилактических работ по укреплению склонов конфигурация поверхности может существенно меняться за время между съемками, что также затрудняет выявление устойчивых отражателей.
При интерпретации результатов дифференциальной интерферометрии целесообразно использовать информацию об ориентации и уклонах склонов, результаты дешифрирования спутниковых снимков территории в видимом диапазоне, информацию о строении и характеристиках пород. Более достоверная оценка компонентов векторов смещений на оползневых склонах может быть получена при совместном анализе результатов обработки серий снимков, сделанных с восходящей и нисходящей частей орбиты спутника. Такой подход обеспечивает также существенное уменьшение зон экранирования склонов складками рельефа. Для контроля залесенных склонов целесообразно использование информации с радиолокационных спутников с большей длиной волны, в частности, в L диапазоне. На отдельных склонах для обеспечения гарантированного контроля оползневых процессов целесообразна установка специальных уголковых отражателей радиолокационного сигнала.
В докладе представлены примеры интерпретации результатов дифференциальной интерферометрической обработки радиолокационных снимков с использованием данных об ориентации и уклонах склонов для оценки величины и направления реальных смещений объектов. Приведены результаты верификации, осуществляемой путем повторяющихся высокоточных геодезических измерений смещений закрепленных на местности реперов с использованием технологии высокоточной спутниковой навигации. Также представлен пример совместного анализа результатов дифференциальной интерферометрической обработки серий радиолокационных снимков, полученных спутниками группировки COSMO-SkyMed с восходящих и нисходящих участков орбиты.