SAR MONITORING OF TERRESTRIAL SURFACE DEFORMATION IN THE EARTHQUAKE ZONE USING GPS DATA

Full Text

В Научном центре оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ) ОАО «Российские космические системы» проводится отработка комплексных технологий интерферометрической и дифференциальной ин-терферометрической 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 интерферометриче-ской 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). Исследования выполнены в рамках ОКР «Регион В-Архив». 60 Раздел 1. Радиолокационная поляриметрия и интерферометрия. Радиометрия земных покровов 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 км2. Кроме того, проведена интерферо-метрическая обработка данных РСА ALOS/P ALSAR (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 км2 [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. earthobservations.org/sendai.php). 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 интерферо-грамм [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 интерферо-грамм 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 dIW, 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 dIW): ЦКС32, ЦКС64, ЦКС128, ЦКС256, ЦКС512, ЦКС1024, ЦКС2048 и ЦКС4096. Для каждой из 8 ЦКС определены минимальные и максимальные значения получаемых оценок для величин смещений земной поверхности. Показано, что при изменении параметра dIW от 32 до 4 096 пикселей общий диапазон изменения оценок для максимальных значений смещений оказался равным 63 см. Таким образом, некорректный выбор значения параметра dIW способен привести к возникновению очень серьезных ошибок. Отработка методики выбора оптимального значения параметра dIW 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; 61 Вестник СибГАУ. N 5(51). 2013 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 dIW. 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 dIW. 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 ЦКС64 (на 4, 6 и 7 см, соответственно) и относительно заметно ниже, чем данные из ЦКС128 (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 ЦКС64 (их разность равна, соответственно, 14, 2 и 4 см). При изменении параметра dIW 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 dIW 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 ин-терферометрической 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 GPSизмерений 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.

About the authors

A. A. Feoktistov

esearch Center for Earth Operative Monitoring JSC “Russian Space Systems”

Email: alexey.a.feoktistov@ntsomz.ru
51/25, Dekabristov st., Moscow, 127490, Russia

A. I. Zakharov

Fryazino Branch of Institute of Radio Engineering and Electronics named after V. A. Kotelnikov of Russian Academy of Sciences

Email: izakhar@sunclass.ire.rssi.ru
1 Vvedensky square, Fryazino, Moscow region, 141190, Russia

P. V. Denisov

esearch Center for Earth Operative Monitoring JSC “Russian Space Systems”

51/25, Dekabristov st., Moscow, 127490, Russia

M. A. Gusev

esearch Center for Earth Operative Monitoring JSC “Russian Space Systems”

51/25, Dekabristov st., Moscow, 127490, Russia

References

Supplementary files