ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОДЕФОРМАЦИЙ И ОПОЛЗНЕВЫХ ПРОЦЕССОВ СЕВЕРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Полный текст

В начале XXI в. одной из наиболее актуальных проблем является изменение среды обитания человека вызванные как антропогенной деятельностью, так и глобальными климатическими процессами. Одними из самых мощных средств мониторинга состояния и динамики окружающей среды в настоящее время стали дистанционные методы зондирования Земли (ДЗЗ). Особую актуальность ДЗЗ приобретает при освоении протяженных и труднодоступных северных территорий Западной Сибири и Арктики [1; 2]. В последние десятилетия вследствие возрастающей антропогенной нагрузки и климатических изменений здесь активизировались оползневые процессы, деформация и разрушение почвы [3]. Сложные погодные условия, продолжительные полярные зимы, снежный покров затрудняют наблюдения северных территорий в оптическом диапазоне. В то время как спутниковые методы радиолокации независимы от погодных условиях, времени суток и снежный покров практически прозрачен для радиоволн. В частности методы радарной интерферометрии продемонстрировали высокую эффективность при обнаружении горизонтальных и вертикальных смещений почвенного покрова сейсмического и техногенного характера, «морозного пучения» влажных и заболоченных участков, подвижек льда и др. [4; 5] В данной статье представлены результаты обработки радарных изображений ALOS PALSAR (L-диапазон, 23,6 см) и TanDEM-X (X-диапазон, 3,1 см) по северным территориям Ямало-Ненецкого автономного округа и полуострова Ямал в 2007-2012 гг. методами дифференциальной интерферометрии и текстурного анализа. Оценка вертикальных подвижек методом дифференциальной интерферометрии. По тестовым участкам были подобраны радиолокационные изображения, образующие интерферометрические пары. Методом дифференциальной интерферометрии были сформированы фильтрованные геокодированные ин-терферограммы и созданы карты распределения вертикальных подвижек между съемками. Например, по полигону Марре-Сале (п-в Ямал) на основе радарных снимков ALOS PALSAR 5 февраля 2008 г., 28 марта, 28 июня и 13 ноября 2010 г. установлено, что большая часть территории исследования стабильна и локализованы участки проседаний и вспучивания. Участки проседания до 5-6 см расположены вдоль береговой линии, а по центру тестового полигона расположена область с поднятием до 2-3 см по краям и 5-6 см в середине соответственно. В частности опускание верхней и нижней оконечности полуострова, возможно, происходит из-за подтаивания ледовой подложки частей выдающихся в море. Либо из-за перехлестывания волн через эти фрагменты происходит смыв-размыв этих выступающих частей. Центральная зона поднятия соответствует морозному пучению почв вдоль заболоченного русла реки. Поскольку величина морозного пучения почвы пропорциональна средней температуре в зимний период [4], то вертикальное смещение до 6 см могло возникнуть за счет разницы амплитуд пучения зимой 2008 г. и более холодной зимой 2010 г. Построение ЦМР на основе интерферометриче-ских данных. В настоящее время по северным территориям доступны цифровые модели рельефа (ЦМР) с низким пространственным разрешением порядка 1 км. При исследовании склоновых оползневых процессов, а в дальнейшем при их прогнозировании большое значение имеет информация об особенностях топографии местности. Поэтому одной из задач проводимого исследования стало построение ЦМР. Методика построения заключается в следующем: сначала по первой паре изображений строится «опорная» ин-терферограмма, которая содержит информацию о рельефе; затем по второй паре строится интерферо-грамма с вычитанием опорной. При этом отображаются только смещения поверхности без влияния топографии. После чего проводятся стандартные процедуры для расчета карты вертикальных смещений [6]. По тестовому полигону Васькины Дачи п-ва Ямал на основе трех радарных изображений ALOS PALSAR 2007-2010 гг. с разрешением 15 м были построены карты относительных высот и вертикальных смещений. А на основе снимков высокого разрешения TanDEM-X (X-диа-пазон, 3,1 см) создана высокоточная ЦМР с пространственным разрешением 10 м (см. рисунок). 66 Раздел 1. Радиолокационная поляриметрия и интерферометрия. Радиометрия земных покровов Цифровая модель рельефа территории п-ва Ямал полученная по паре радиолокационных изображений TanDEM-X 9 ноября 2012 г. Исследования показали, что для оценки долговременных деформаций наиболее результативны съемки в середине зимы (декабрь-январь) с устоявшимися процессами морозных деформаций. В частности, по тестовому полигону Надым за двухгодичный период были выявлены участки со значительными вертикальными смещениями по пути следования нефтегазопровода. Локализация долговременных изменений на основе текстурного анализа. Сравнительный анализ сезонных и двухгодичных изменений текстуры радарных изображений показал возможность выявления долговременных изменений ландшафта с оценкой соответствующей вероятности [6]. По тестовому полигону Васькины дачи, где деформационные и оползневые процессы наблюдаются в течение последних 20-30 лет, были выбраны четыре снимка ALOS PALSAR в L-диапазоне (НН) 2007-2009 гг. с разрешением 15 м/пс. По тестовому участку распределение разности сезонных и двухгодичных изменений (РСДИ) оказалось близко к распределению Гаусса. Таким образом, для каждого пикселя изображения РСДИ можно вычислить вероятность того, что сезонные изменения превышают долговременные и наоборот. Следовательно, можно локализовать участки, укладывающиеся в рамки статистических вариаций (1-2-3 σ) с известной вероятностью, а также выявить участки с аномально большой разницей, т. е. с высокой долей вероятности, указывающие на реально произошедшие изменения. Согласно наземным наблюдениям значительных деформационных и оползневых явлений на территории тестового полигона в период между радиолокационными съемками 2007-2009 гг. не происходило, а немногочисленные небольшой площади участки с сильными двухгодичными изменениями располагаются в основном вдоль трасс движения транспорта или соответствуют местам усиленной антропогенной нагрузки. В результате обработки радиолокационных данных по тестовым полигонам полуострова Ямал и Ямало- Ненецкого автономного округа: методами дифференциальной интерферометрии построены карты вертикальных смещений; локализованы стабильные области и участки со значительными смещениями; на основе радиолокационных данных высокого разрешения построена высокоточная ЦМР с 10 м разрешением; создана методика выявления наиболее вероятных участков с деформациями поверхности на основе сравнительного анализа сезонных и долговременных изменений текстуры радиолокационных изображений.

Об авторах

Т. Н. Чимитдоржиев

Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

Email: tchimit@ipms.bscnet.ru
Россия, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6

М. Е. Быков

Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

Россия, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6

М. О. Лейбман

Институт криосферы Земли Сибирского отделения Российской академии наук

Email: moleibman@gmail.com
Россия, 625000, Тюмень, ул. Малыгина, 86

П. Н. Дагуров

Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

Россия, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6

И. И. Кирбижекова

Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

Россия, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6

Ю. А. Дворников

Институт криосферы Земли Сибирского отделения Российской академии наук

Россия, 625000, Тюмень, ул. Малыгина, 86

Н. М. Бердников

Институт криосферы Земли Сибирского отделения Российской академии наук

Россия, 625000, Тюмень, ул. Малыгина, 86

Список литературы

Дополнительные файлы