Мониторинг состояния оползневой зоны на реке Бурея в 2018–2019 годах по радиолокационным и оптическим космическим изображениям

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В связи с непрерывным ростом количества природных катастроф и ущерба, наносимого ими (Бондур и др., 2009; Природные опасности…, 2000), актуальными становятся разработка и широкое применение новых методов мониторинга и прогнозирования таких природных явлений, как землетрясения (Акопян и др., 2017; Бондур, Зверев, 2005a, b, 2007; Бондур и др., 2007; Бондур, Смирнов. 2005), наводнения (Бондур и др., 2009; Природные опасности…,2000), тайфуны (Бондур и др., 2008a, b; 2009), природные пожары (Бондур, 2015; Бондур, Гинзбург, 2016; Бондур и др., 2016), оползни (Бондур и др.. 2019а, b, d; Захарова и др., 2019; Захаров, Захарова, 2019; Захарова, Захаров, 2019; Крамарева и др., 2018, 2019) и др.

Для решения таких задач эффективно применение космических методов дистанционного зондирования, прежде всего всепогодных радиолокационных методов, а также в их сочетании с оптическими методами (Бондур, 2010; Бондур и др., 2009; 2019а, b, c, d; Захаров, Захарова, 2019; Захарова, Захаров, 2019; Захарова и др., 2019; Бондур, Чимитдоржиев, 2008a, b; Бондур и др., 2019с; Бондур, Старченков, 2001; Bamler, Hartl, 1998; Colesanti, Wasowski, 2006).

Настоящая работа посвящена применению методов дистанционного зондирования для мониторинга оползневых процессов на реке Бурея, происходивших в 2019 г. после схода оползня в декабре 2018 г.

Катастрофический сход оползня на берегу реки Буреи, произошедший 11 декабря 2018 года, перекрыл русло реки Буреи и потребовал не только немедленных действий по устранению завала, который представлял опасность, связанную с затоплением и повреждением населенных пунктов и хозяйственной инфраструктуры, но и организации мониторинга оползневой зоны с целью выяснения истории и современной динамики этого опасного природного явления.

Проводившиеся с начала 2019 года наземные экспедиционные исследования позволили получить представление о масштабах оползня (Перерва и др., 2019). Они были неоценимы при организации и проведении работ по пробивке прорана в русле реки в конце января–начале февраля 2019 г. Однако качественно новые и детальные сведения о состоянии оползневой зоны, истории развития и современной динамике оползня могут быть получены только в ходе спутниковых оптических и радиолокационных наблюдений.

Первые сведения о масштабах события, связанного со сходом оползня на реке Бурея, были получены благодаря оптическому изображению, полученному с борта спутника Sentinel‑2B 12 декабря 2018 г. в 02:22 GMT (Крамарева и др., 2018). По представленному космическому изображению была выявлена зона обрушения и образовавшаяся в результате насыпь, перегородившая русло реки. Были выявлены также зоны повреждения прибрежного лесного покрова волной, сформировавшейся в результате схода грунта в воду. Динамика создания прорана в завале с использованием взрывных работ в конце января — начале февраля 2019 г. и его размыва половодьем вплоть до конца апреля 2019 г. наблюдалась по данным оптической съемки со спутников Sentinel‑2 и Международной космической станции (Крамарева и др., 2019, Остроухов и др., 2019).

Радиолокационные изображения с борта спутников Sentinel‑1 для наблюдения оползневой активности зимой 2017–2018 гг. впервые были применены в работе (Захарова, Захаров, 2019). В работе (Захарова и др., 2019) был проведен анализ последствий схода оползня, в том числе оценка его размеров, объема вынесенного грунта, а также стабильности оползневой зоны в течение зимы 2019 года. Радиолокационные изображения, полученные с борта спутников ALOS‑1 и ALOS‑2, позволили наблюдать с помощью технологии радарной интерферометрии развитие оползневого процесса в период с 2006 по 2017 гг. (Бондур и др., 2019а, b).

В настоящей работе приводятся результаты мониторинга состояния оползневой зоны на реке Бурея по данным оптической и радиолокационной съемки с борта спутников Sentinel‑1A,B и Sentinel‑2A,B.

ОСОБЕННОСТИ ПРОВЕДЕНИЯ СЪЕМКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Используемые в настоящей работе космические изображения были получены с борта семейства спутников Sentinel, которые находятся на солнечно-синхронной орбите с высотой 798 км и разнесением в плоскости орбиты на 180°.

Многоспутниковая система Sentinel создана Европейским космическим агентством в рамках проекта глобального космического мониторинга "Copernicus". Оптическая съемка проводится в 13-ти спектральных диапазонах в полосе 443–2190 нм с разрешением 10/20/60 м с зоной захвата 290 км (http://esamultimedia.esa.int/docs/S2-Data_Sheet.pdf). На широте оползневой зоны интервал между повторными съемками составляет 2–3 дня.

Спутники Sentinel‑1A и Sentinel‑1B обеспечивают проведение радиолокационной съемки земной поверхности радарами с синтезированной апертурой (РСА) в С‑диапазоне (длина волны 5.6 см) с солнечно-синхронной орбиты высотой 693 км. Южная часть территории Дальневосточного федерального округа России, где находится река Бурея, снимается на нисходящем витке с периодом точного повторения орбиты 12 дней в режиме IW (interferometric wide), пригодном для интерферометрических измерений рельефа и анализа динамики подстилающей поверхности. Съемка выполняется справа по ходу полета спутника в широкозахватном режиме с шириной полосы захвата 240 км. Расстояние между пикселами синтезированного радарного изображения по наклонной дальности в формате SLC составляет 2.3 м, а между строками ― 14.1 м (https://sentinel.esa.int/web/sentinel/missions/sentinel‑1/overview).

В данной работе использованы серии космических радиолокационных изображений, полученных с условных орбит 61 и 134.

Оптические снимки, полученные с борта спутников Sentinel‑2А, В, более удобны для наблюдения крупномасштабных изменений рельефа из-за лучшего пространственного разрешения, отсутствия характерных для РСА спекл-шумов, привычности оптического изображения для визуального восприятия.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

На рис. 1 приведены фрагменты оптических изображений, полученных с борта спутников Sentinel 2A и 2B в период времени с 12 декабря 2018 г. по 26 июля 2019 г.

На рис. 1а приведен фрагмент оптического космического изображения оползневой зоны, полученного 12 декабря 2018 г. с борта спутника Sentinel‑2, вскоре после обрушения. Здесь из-за низкого зимнего солнца русло реки и зона обрушения трудно различимы в тени высокого южного берега. Основные изменения на земной поверхности, наблюдавшиеся после схода оползня, выделяемые на космических оптических изображениях — это:

— формирование прорана с помощью взрывов в конце января — начале февраля 2019 г. (указан стрелкой на рис. 1б);

— обрушение/затопление стенок прорана в апреле 2019 г. во время половодья;

— крупномасштабное обрушение береговой линии в период с 3 по 11 мая 2019 г. (стрелка на рис. 1в);

— затопление части прибрежной территории оползневой зоны из-за подъема уровня воды в реке в период с 21 по 26 июля 2019 г. (стрелка на рис. 1г).

 

Рис. 1. Оптические снимки спутника Sentinel 2 зоны Бурейского оползня.

 

Проведение мониторинга с повторяющихся орбит спутников Sentinel‑1 с использованием радиоинтерферометрического метода позволяют обнаруживать мелкомасштабные (порядка длины волны радиолокатора) деформации подстилающей поверхности, произошедшие за время между съемками. Когерентность отраженных сигналов сеансов радиолокационной съемки, составляющих интерферометрическую пару, является ключевым условием успешного выявления и измерения смещений земной поверхности по разности фаз на интерферограмме (Захаров, Захарова, 2019).

Недостатком радиоинтерферометрических наблюдений земной поверхности с развитой лесной растительностью с помощью РСА Sentinel‑1 (С‑диапазон) является высокая степень временной декорреляции отраженных в соседних съемках в теплое время года (Бондур и др., 2019c; Бондур, Чимитдоржиев, 2008а, b). Измерение высот рельефа и наблюдения подвижек лесных покровов в этом диапазоне волн оказывается возможным лишь в условиях отрицательной температуры воздуха из-за большей временной стабильности диэлектрических свойств замерзшей кроны дерева (Захарова, Захаров, 2019).

Особенностью наблюдений оползневой зоны в 2019 г. является отражение радиоволн поверхностью, свободной от растительности, что показано в работе (Бондур и др., 2019а). Благодаря этому когерентность сигналов здесь выше, чем у окружающей залесенной поверхности.

На рис. 2 приведены графики когерентности для зон оползня и близлежащего леса за период времени с 16.11.2018 по 05.10.2019. Интервал между съемками пар радарных изображений обусловлен 12-дневным периодом точного повторения орбиты спутника. Даты по горизонтальной оси приведены в формате годы–месяцы–дни.

 

Рис. 2. Когерентность эхо-сигналов от зоны оползня и близлежащего лесного массива за период времени с 16.11.2018 по 05.10.2019.

 

Высокая когерентность отражений от лесного участка вплоть до конца марта 2019 г. объясняется высокой стабильностью его диэлектрических свойств при отрицательной температуре воздуха (Бондур и др., 2019c; Бондур, Чимитдоржиев, 2008a, b). Необходимо отметить, что крупномасштабные смещения фрагментов поверхности с амплитудой более половины длины волны в пределах пиксела изображения приводят к декорреляции отраженных сигналов этих пикселов изображений интерферометрической пары (Бондур и др., 2019c).

Таким образом, низкая когерентность отраженных радиоволн для оползневой зоны вплоть до 12 декабря 2018 г. может быть объяснена резкой активизацией сравнительно крупномасштабных подвижек поверхности оползня перед обрушением. Когерентность отраженных радиоволн поверхности оползня в апреле — начале мая 2019 г. низка из-за периода таяния снега и изменения влажности почвы на южном береговом склоне. Необычно частые и сильные дож-ди в мае–июне, интенсивность которых упала лишь к началу июля 2019 г. (Перерва и др., 2019), также могли быть причиной низкой когерентности и неэффективности интерферометрических наблюдений в эти месяцы. Низкая когерентность интерферометрической пары 7.08.2019–19.08.2019 (см. рис. 2) также объясняется интенсивными осадками, в данном случае непосредственно перед первой съемкой (www.rp5.ru).

На рис. 3 дан набор некоторых карт когерентности радиолокационных сигналов в пределах оползневой зоны в весенне-летний период 2019 г. Светлые тона соответствуют более высокой когерентности. Высокая когерентность радиолокационных сигналов, характерная для северного берега реки Буреи, в том числе вдоль берегов реки Средний Сандар, объясняются более высокой стабильностью открытой поверхности прибрежной зоны, где в декабре 2018 г. растительность была снесена цунамиподобной волной. Благодаря постепенному высыханию почвы оползневого цирка когерентность радиолокационных сигналов стала расти, вследствие чего начиная с июля 2019 г. появилась возможность поиска признаков мелкомасштабных подвижек поверхности методами радарной интерферометрии.

Поиск мелкомасштабной динамики на поверхности цирка Бурейского оползня с конца 2018 г., сразу после обвала, с помощью технологии дифференциальной радарной интерферометрии был предметом исследования в работе (Захарова и др., 2019). Как известно, интерферометрическая фаза на радарной интерферограмме зависит, в первую очередь, от вариаций высот рельефа (так называемая топографическая фаза), а также от локальных смещений отражающей поверхности за время между съемками интерферометрической пары (Bamler, Hartl, 1998). При наличии цифровой модели рельефа (ЦМР) можно компенсировать влияние топографической фазы, выделив фазовые смещения на интерферограммах, обусловленные динамикой отражающей поверхности.

Для построения дифференциальных интерферограмм по данным спутников Sentinel‑1 была использована ЦМР SRTM, которая достаточно хорошо описывает рельеф всей сцены радарного снимка за исключением оползневой зоны, где ландшафт изменился.

На рис. 4 приведен профиль высот поверхности оползневой зоны вдоль по склону, построенный по данным интерферометрической съемки Sentinel‑1 в январе 2019 г. (пунктирная линия), и профиль, извлеченный из ЦМР SRTM (сплошная линия). По вертикальной оси отложена высота над уровнем моря в метрах, по горизонтальной — номер отсчета профиля (пиксела). Расстояние между пикселами на поверхности составляет около 14 м.

 

Рис. 3. Когерентность радиолокационных сигналов для участка земной поверхности в мае, июне и июле 2019 года. Стрелкой указана оползневая зона.

 

Максимальное отличие истинной высоты поверхности от высоты по данным ЦМР SRTM достигает 150 м. Такого рода ошибки высот рельефа могут быть ложно интерпретированы как подвижки поверхности довольно большой амплитуды. Эта топографическая фаза, порожденная отличием ЦМР SRTM от истинного рельефа поверхности, была компенсирована в фазовых измерениях несколькими способами, описанными в работе (Захаров, Захарова, 2019).

По результатам анализа непрерывной серии из восьми 12-дневных дифференциальных интерферограмм для интервала времени с конца декабря 2018 г. по начало апреля 2019 г., не выявлена какая-либо динамика поверхности оползневой зоны, как в пределах цирка, так и на близлежащих склонах. Взрывные работы, выполненные в третьей декаде января–первой декаде февраля 2019 г., также не привели к сколь-нибудь заметным (более 1–2 мм) смещениям грунта на оползневом склоне.

Примеры интерферограмм с просадками поверхности, а также соответствующие им фрагменты радарного и оптического изображений приведены на рис 5. В принятой здесь технологии интерферометрической обработки более светлые тона в пределах оползня соответствуют удалению отражающей поверхности от спутника вниз по оползневому склону.

На первых после трехмесячного периода низкой когерентности интерферограммах, построенных по июльским космическим радиолокационным изображениям (рис. 5а), сложно говорить о характере смещений ввиду зашумленности фазового изображения, особенно в верхней части оползневого цирка (южный его край).

Надежно измеряемые признаки подвижек каменной осыпи на поверхности цирка с максимальной амплитудой радиального смещения 0.7 см были обнаружены в середине восточной части оползня в конце августа 2019 г. (рис. 5б). На рис. 5в отмечается смещение грунта по всему восточному краю оползня и вблизи стенки отрыва. На рис. 5г видна широкая светлая полоса, отмечающая смещение в средней части оползня (в районе пикселов 26–31 профиля, приведенного на рис. 4). Эта полоса пересекает всю зону оползневого цирка от ее западного края до восточного.

 

Рис. 4. Профиль высот по данным SRTM (сплошная линия) и по данным интерферометрической съемки Sentinel 1 (пунктирная линия).

 

 

Рис. 5. Примеры интерферограмм (а–г) и космических изображений (д, е) для оползневой зоны по данным съемки РСА Sentinel 1 в третьем квартале 2019 г. с контуром оползневой зоны: а — 09.07.2019–21.07.2019; б — 26.08.2019–07.09.2019; в — 07.09.2019–19.09.2019; г — 19.09.2019–01.10.2019; д — радиолокационное изображение, полученное 19.09.2019; е — оптическое изображение, полученное 25.09.2019.

 

В табл. 1 приведено подробное описание результатов наблюдений мелкомасштабной динамики поверхности в пределах оползневого цирка на реке Бурея с июля по середину октября 2019 г.

Анализ табл. 1 позволяет отметить нерегулярность процессов смещения поверхности цирка как во времени, так и по положению. В июле–августе 2019 г. чаще всего встречаются смещения на восточном крае оползневого цирка с амплитудой до 1.5 см по линии визирования. Далее следует нарастание динамики в верхней части цирка (пикселы 6–16 профиля высот на рис. 4) с середины сентября 2019 г.

 

Таблица 1. Наблюдаемые смещения поверхности в пределах оползневого цирка на реке Бурея в июле–октябре 2019 г.

Даты	Максимальное рдиальное смещение за 12 дней	Положение максимального смещения
09.07.2019–21.07.2019	0.5 см	Восточный край, середина–низ
21.07.2019–02.08.2019	1.4 см	Восточный край, середина–низ
02.08.2019–14.08.2019	0.7 см	Восточный край, середина–низ
14.08.2019–26.08.2019	0.4 см	Восточный край
26.08.2019–07.09.2019	0.5 см	Восточный край, середина
07.09.2019–19.09.2019	1.9 см	Восточный край и стенка отрыва
19.09.2019–01.10.2019	1.4 см	Полоса в средней части
01.10.2019–13.10.2019	1.5 см	Верхняя часть оползня

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании результатов применения космических, радиолокационных и оптических изображений для мониторинга оползневой зоны на Бурее в 2018–2019 гг., продемонстрирована высокая информативность методов дистанционного зондирования из космоса, позволяющих выявлять мелкомасштабную динамику земной поверхности в зоне оползня. С использованием радиоинтерферометрического метода выявлена стабильность поверхности оползневого цирка и соседних береговых склонов в начале 2019 г., в том числе во время проведения взрывных работ по пробивке прорана.

Радарные интерферометрические наблюдения, полученные с борта спутников Sentinel‑1, оказались непригодны для наблюдения локальных обрушений береговой линии, в отличие от оптических изображений, полученных со спутников Sentinel‑2, где эффекты обрушения фрагментов берега и его затопления хорошо видны.

Первые признаки подвижек фрагментов скальных осыпей на поверхности скольжения в разных частях оползневого цирка были обнаружены в конце июля 2019 г. Подвижки продолжались до конца периода наблюдений (середина октября 2019 г.). Не выявлено крупномасштабных смещений/обрушений в пределах цирка, которые приводили бы к потере интерферометрической когерентности и были бы видны на оптических изображениях.

Выявленная продолжающейся оползневой активности в пределах оползневого цирка и обрушения береговой линии требует организации непрерывного мониторинга этой и других опасных оползневых зон на реке Бурея.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарны Европейскому космическому агентству за данные Sentinel‑1 и Sentinel‑2.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Исследования были выполнены в рамках госзаданий организаций — участников работ, а также при частичной поддержке РФФИ в рамках гранта 18–07–00816. Исследования выполнены также при поддержке Минобрнауки России (уникальный идентификатор проекта RFMEFI60719X0306).

Об авторах

В. Г. Бондур

Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга «АЭРОКОСМОС»

Автор, ответственный за переписку.
Email: vgbondur@aerocosmos.info
Россия, Москва

Л. Н. Захарова

Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга «АЭРОКОСМОС»; Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал

Email: ludmila@sunclass.ire.rssi.ru
Россия, Москва; Фрязино

А. И. Захаров

Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга «АЭРОКОСМОС»; Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Фрязинский филиал

Email: ludmila@sunclass.ire.rssi.ru
Россия, Москва; Фрязино

Список литературы

Дополнительные файлы