Результаты космического радарного мониторинга смещений и деформаций зданий и сооружений в астане

      Комментарии к записи Результаты космического радарного мониторинга смещений и деформаций зданий и сооружений в астане отключены

Результаты космического радарного мониторинга смещений и деформаций зданий и сооружений в астане

Ж. Ш. Жантаев, Б. К. Курманов, А. В. Иванчукова, А. Г. Фремд, А. В. Кирсанов, А. Ж. Бибосинов, Ю. И. Кантемиров

НЕСПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ СВЕДЕНИЯ

В настоящей статье приводятся результаты космического радарного деформаций и интерферометрического мониторинга смещений земной поверхности и сооружений в столице Казахстана Астане во время с 2011 по 2013 г.

Приводятся параметры 30 космических радарных съемок со спутников COSMOSkyMed-1-4 (e-GEOS, Италия), выполненных во время с 18.06.2011 г. по 20.04 г.

Дается краткое описание теоретических баз разработки радарного интерферометрического обнаружения смещений земной поверхности, и ее практической полуавтоматизированной реализации в виде методики интерферометрии парных постоянных рассеивателей PSP-IfSAR (e-GEOS, Италия).

Приводятся главные результаты деформаций и мониторинга смещений земной поверхности и сооружений в Астане за период с 18.06.2011 г. по 20.04 г. Проект был выполнен совместно ДТОО «Университет ионосферы» АО «НЦ КИТ» (Казахстан) и компанией «Совзонд» (Российская Федерация).

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ БАЗЫ РАДАРНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ И ЕЕ МНОГОПРОХОДНЫХ ВАРИАЦИЙ SBAS, PS И PSP

Авторы считают необходимым привести историю появления и краткие теоретические базы радарной интерферометрии как способа мониторинга смещений земной поверхности.

Изобретателем способа радарной интерферометрии есть D. Richman, что в первый раз в 1971 г., будучи сотрудником United Technologies Corporation (США), объединяющей в себе такие наибольшие компании, как Boeing, Sikorsky, Pratt Whitney и др., зарегистрировал патент США «Three Dimensional, azimuth-correcting mapping radar». Патент был сразу же сохраняеться в тайне, потому, что предложенная разработка разрешала строить точные (с метровыми точностями) цифровые модели рельефа и местности (ЦММ и ЦМР), и отслеживать смещения и изменения рельефа земной поверхности с сантиметровыми а также миллиметровыми точностями, причем сами радарные съемки, служащие базой для мониторинга, имели возможность выполняться как с авиационных, так и с космических носителей независимо от освещённости и облачности. В то время, когда в начале 1980-х гг. к открытию данной разработке близко подошли многие другие исследователи из америки и Европы, патент был рассекречен и размещён в 1982 г.

В течение 1980-х гг. исследователи R. M. Goldstein, H. A. Zebker, C. L. Werner и F. Li проводили активную научно-исследовательскую работу по созданию практических методик интерферометрической обработки радарных снимков. Выполнялись как теоретические изучения, так и практические опыты по обработке данных авиационных радарных съемок, и моделирование обработки будущих космических радаров с синтезированной апертурой (РСА либо SAR).

Широкое использование спутниковых радарных данных началось в 1991 г. с запуском спутника ERS-1 (Космическое агентство ЕС) с РСА на борту. С того времени было запущено много коммерческих и научных радарных спутников дистанционного зондирования Почвы (ДЗЗ). Много средств наблюдений, радарных спутников, обусловило быстрый рост числа проектов, делаемых с применением радарных данных ДЗЗ, солидную часть которых составляют проекты, основанные на технологии радарной интерферометрии.

Приведем потом краткие физические базы радарной съемки и краткие базы способа радарной интерферометрии.

Входными данными для обработки в специальных программных комплексах являются интерферометрическая пара (или многопроходная серия) радарных снимков. В общем случае интерферометрическая обработка пары снимков имеет несколько базисных шагов:

  1. Совмещение главного и вспомогательного радарных изображений интерферометрической пары (в автоматическом режиме или с ручным вводом контрольных точек).
  2. Генерация интерферограммы, являющейся результатом комплексного поэлементного перемножения основного и вспомогательного изображения , геометрически совмещенного с главным.
  3. Вычитание из интерферограммы синтезированной фазы рельефа, вычисленной из имеющейся ЦМР либо ЦММ, или модели эллипсоида, или методом задания средней по площади снимка высотной отметки (для равнинных областей) с получением на выходе дифференциальной интерферограммы, на которой один весь спектр цветов (интерференционный цикл) соответствует смещениям земной поверхности, равным половине длины волны радиолокатора.
  4. Фильтрация интерферограммы, разрешающая в определенной степени уменьшить фазовый шум (помехи) за счет загрубления выходной модели смещений земной поверхности.
  5. Получение файла когерентности (корреляции фаз) для области перекрытия двух снимков, составляющих интерферометрическую несколько, в значениях от 0 до 1 для каждой пары соответствующих друг другу пикселей.
  6. Развертка фазы (процедура перехода от относительных значений фазы к безотносительным) и устранение разрывов фазы с отсечением по порогу когерентности.
  7. Коррекция значения орбитальных параметров спутника по наземным контрольным точкам.
  8. Преобразование безотносительных значений фазы в смещения земной поверхности в миллиметрах. Полная цепочка интерферометрической обработки, и многие другие дополнительные функции реализованы в программном комплексе SARscape (Exelis VIS, США), являющемся комплектом дополнительных модулей программы ENVI (Exelis VIS, США). Эксклюзивным дистрибьютором этих программных продуктов в России и СНГ есть компания «Совзонд».

Для анализа не пар, а многопроходных цепочек интерферометрических радарных снимков в SARscape реализованы разные модификации радарной интерферометрии. Для деформаций и мониторинга смещений в Астане нами были применены технологии интерферометрии серий малых базисных линий (Small Baselines Series interferometry, либо сокращенно SBas), интерферометрии постоянных рассеивателей (Persistent Scatterers Interferometry) и парных постоянных рассеивателей (PSP-IfSAR), реализованных в программных комплексах ENVI-SARscape (Exelis VIS, США) и PSP-IfSAR (e-GEOS, Италия).

Главные результаты взяты с применением разработки PSP-IfSAR. Результаты обработки по методикам PS и SBas дополнили главной итог.

Интерферометрия серий малых базисных линий является методом автоматизированной обработки громадного количества интерферометрических пар многопроходной серии. Способ разрешает существенно расширить вклад статистики в финальный итог за счет обработки всех вероятных пар снимков, а также перекрещивающихся во времени, с ограничением по величине пространственных и временных баз. Наряду с этим в итоге кроме этого восстанавливается последовательная хронология смещений от первого снимка цепочки до последнего.

Этот способ наилучшим образом подходит для анализа смещений площадных объектов (распределенных целей). В условиях города этот способ трудится хуже, потому, что пространственно фаза в городских условиях «загрязнена» чередующимися эффектами переналожения и радарной тени от сооружений, что приводит к частому чередованию высоко- и низкокогерентных участков и мешает развертке фазы.

При анализа точечных, а не площадных распределенных целей, процедура пространственной развертки фазы не проводится, исходя из этого для условий города (т. е. громадного количества точечных высоко- когерентных целей, которыми являются сооружения и здания и отдельные их части) лучше подходят точечные способы PS и PSPIfSAR.

Разработка PS характеризуется точностью оценки смещений 2–4 мм по высоте. Входными данными для гарантированно успешной обработки должны являться не меньше 30 снимков одной и той же территории за различные даты, сделанных в одной и той же геометрии съемки спутникового радара. В ходе обработки программой машинально выбирается главное изображение, на которое машинально, с точностью до 1/100 пикселя, корегистрируются остальные снимки интерферометрической цепочки.

Потом программа сооружает интерферограммы по каждой паре снимков. После этого для каждой пары оцениваются величины когерентности. Кроме этого для каждой пары строятся карты размеров стандартных отклонений амплитуд снимков.

После этого программой определяются точки — постоянные (либо устойчивые) рассеиватели радарного сигнала. Для выбора точек употребляется пара порогов (порог корреляции амплитуд, порог когерентности, пространственное стандартное отклонение смещений первой итерации и т. д.). По окончании того как постоянные рассеиватели выяснены, для них выполняется процедура оценки фазовых разностей и мультивременной развертки фазы.

Как раз в разности фаз каждого снимка «зашита» величина смещений за период между съемками этих снимков.

Так, для каждой из выбранных точек восстанавливается хронология трансформации фазы во времени, которая после этого математически пересчитывается в смещения в миллиметрах. Дополнительно в ходе обработки используется особый фильтр, удаляющий вероятное влияние воздуха на интерферометрическую фазу. Результатом обработки есть векторный файл точек, в атрибутах которых записаны:

  • смещения на каждую дату съемки;
  • среднегодовая скорость смещений за целый период наблюдений;
  • суммарная величина смещений;
  • когерентность;
  • высота над эллипсоидом WGS-84.

Разработка PSP-IfSAR есть усовершенствованной модификацией вышеописанной разработке PS. Усовершенствование, созданное в 2009 г. M. Costantini и др., содержится в следующем:

  • Результаты интерферометрической обработки часто осложнены разными факторами, дающими системную неточность определения смещений, возрастающую от одного финиша снимка к второму. К таким помехам возможно отнести влияние неточности знания орбит спутника, влияние непараллельности орбит спутника, атмосферные артефакты и др.
  • Разные вариации разработок интерферометрической обработки, а также вышеописанные PS, SBas и др. предлагают разные ответы по удалению указанных выше систематических неточностей.
  • В рамках самая поздней из модификаций интерферометрических разработок, методики PSP IfSAR, предлагается инновационный подход, разрешающий удалить эти систематические неточности за счет дополнительной совместной обработки пар соседних постоянных отражателей (указанные выше систематические неточности характеризуются низкочастотной пространственной изменчивостью, исходя из этого совместная обработка как раз соседних между собой отражателей разрешает избавиться от этих неточностей).
  • Дополнительным преимуществом данной разработке есть громадная максимально достижимая плотность точек — до 30 000 точек/кв. км (для хорошо застроенных территорий и при применении съемок очень высокого разрешения).

ДАТЫ СЪЕМОК COSMO-SKYMED И КАРТА ПОКРЫТИЯ ИМИ АСТАНЫ

Из находящихся сейчас на орбите радарных спутников самая оптимальной для ответа деформаций мониторинга и задач смещений земной поверхности и сооружений авторам представляется неповторимая спутниковая группировка из четырех радарных спутников-близнецов COSMOSkyMed-1-4 (e-GEOS, Италия). Дистрибьютором данных с данной группировки спутников в Российской Федерации и СНГ есть компания «Совзонд». Как раз с применением данных данной спутниковой группировки во время с 2011 по 2013 г. выполнен проект по мониторингу смещений и сооружений и деформаций зданий в Астане.

Исходными данными для обработки помогали снимки COSMO-SkyMed-1-4. Снимки были выполнены в режиме съемки Himage (пространственное разрешение 3 м, размеры сцены 40х40 км, поляризация HH). Даты съемок приведены в табл.

1. Карта покрытия территории Астаны и участка 10х10 км, определенного клиентом для более детального анализа, данными съемок COSMO-SkyMed-1-4 продемонстрирована на рис. 1.

Таблица 1. Даты съемок COSMO-SkyMed

Рис. 1. Карта покрытия территории Астаны и участка 10х10 км, определенного клиентом для более детального анализа (зеленый контур) данными съемок COSMO-SlyMed-1-4 (голубые контуры)

РЕЗУЛЬТАТЫ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ СО СПУТНИКОВ COSMOSKYMED-1-4

Для обработки по способу PSP-IfSAR был выбран участок территории Астаны размерами 10х10 км (рис. 1), в границах которого находятся все главные объекты, выстроенные в последнее десятилетие. На обрабатываемом участке размерами распознано 442 000 точек — постоянных рассеивателей радарного сигнала, т. е. в среднем 4420 точек/кв. км. На некоторых локальных участках плотной застройки количество точек достигало размеров более 10 000 точек/кв. км.

Для каждой точки вычислены величины смещений в миллиметрах по состоянию на каждую дату съемки. Дополнительно вычислены среднегодовая скорость смещений в миллиметрах в год, и высота в метрах над эллипсоидом WGS-84.

Потом приведем пара распознанных деформаций и случаев смещений. На рис. 2 продемонстрирована динамика деформаций центральной северо-западной части моста по ул. Шалкыма.

На рис. 3 приведены деформации высотного строения национального медиацентра.

Рис. 2. Деформации центральной северо-западной части моста по ул. Шалкыма.

Справа сверху — график динамики оседаний в миллиметрах по датам. Заметен монотонный тренд оседаний, осложненный сезонными термическими деформациями (локальные поднятия зимний период и ускоренные оседания летом)

Рис. 3. Деформации в миллиметрах высотного строения (предположительно строения национального медиацентра) высотой около 90 м, находящегося приблизительно в 25 м к северо-востоку от угла строения Казкоммерцбанка (ул. Кунаева, 2).

Подложка из Гугл Earth (снимок за октябрь 2011 г.) — строение еще строится. Рассеивателями отбилась западная и южная части строения, обращенные навстречу лучу радара. Справа сверху — график динамики деформаций

На рис. 4 — деформации западного строения комплекса строений Казахстанских железных дорог. На рис.

5 — деформации северного строения АЖК «Изумрудный квартал».

Рис. 4. Динамика малых деформаций (до 1 см за 2 года) верхней части западного строения Казахстанских железных дорог (ул. Кунаева, 6)

Рис. 5. Динамика малых деформаций (около 1 см за 2 года) средней части северного строения АЖК «Изумрудный квартал». Рассеивателей на этих строениях выяснено не так много, потому, что они находятся в области радарной тени от строений Казахстанских железных дорог. В графике оседаний заметен как монотонный тренд (постоянные оседания или деформации), так и сезонные термические деформации (оседания волнообразные, с временными поднятиями зимний период и ускоренными оседаниями летом)

На рис. 6 — динамика оседаний восточного крыла малоэтажного дома № 13 по ул. Ай-Тансык (угол с ул. Ермеков).

На рис. 7 — динамика оседаний и/либо деформаций южного и центрального высотных строений ЖК «Лазурный квартал» по ул. Сарайшык (линейный тренд до 2 см за 2 года), и пешеходного участка дороги на протяжении ул.

Сарайшык (до 1 см за 2 года).

Рис. 6. Динамика оседаний восточного крыла малоэтажного дома № 13 по ул. Ай-Тансык (угол с ул. Ермеков). Ярковыраженный линейный тренд оседаний до 3 см за 2 года

Рис. 7. Динамика оседаний и/либо деформаций южного и центрального высотных строений ЖК «Лазурный квартал» по ул. Сарайшык (линейный тренд до 2 см за 2 года).

В левом нижнем углу — оседания пешеходного участка дороги на протяжении ул. Сарайшык (до 1 см за 2 года)

На рис. 8 представлены оседания и/либо деформации центрального пролета дома № 85 по ул. Темирказык.

Стабильное строение ТК «Хан Шатыр» и динамика оседающих строений небоскребов к югу от него приведены на рис. 9.

Рис. 8. Оседания и/либо деформации центрального пролета дома № 85 по ул. Темирказык

Рис. 9. Стабильное строение ТК «Хан Шатыр» и динамика оседающих строений небоскребов к югу от него

Динамика оседаний одного из малоэтажных строений недалеко от перекрёстка ул. Жагоркызы и Карашаш ана приведена на рис. 10. Самый интенсивно оседающий объект на всем разглядываемом участке 10х10 км, одно из строений Акмолинской ТЭЦ-2, приведен на рис. 11.

Быть может, его оседания позваны добычей грунтовых вод, нужных для охлаждения градирен (охладительных башен) ТЭЦ. Динамика оседаний и/либо деформаций строений ЖК «Фаворит» (угол проспекта Богенбай-Батыра и ул. Торайгырова) приведена на рис.

12.

Рис. 10. Динамика оседаний одного из малоэтажных строений недалеко от перекрёстка ул. Жагоркызы и Карашаш ана

Рис. 11. Динамика оседаний одного из строений Акмолинской ТЭЦ-2 — до 4 см за 2 года. Самый интенсивно оседающее строение на всем разглядываемом участке 10х10 км г. Астаны

Рис. 12. Динамика оседаний и/либо деформаций строений ЖК «Фаворит» (угол проспекта Богенбай-Батыра и ул. Торайгырова)

Приведем потом кое-какие примеры стабильных (не оседающих и не деформирующихся) за разглядываемый период 2011–2013 гг. сооружений и зданий. На рис. 13 приведено трехмерное отображение стабильных рассеивателей на строениях ЖК «Успех Астаны» (справа на переднем замысле) и доме № 14/1 по проспекту Турана (слева на переднем замысле), и на строениях школы № 17, ЖК «Ак орда премиум» и ЖК «Радуга» (на заднем замысле).

Кроме этого другие строения между проспектом Турана (слева) и проспектом Кабанбай Батыра (справа). На рис. 14 продемонстрированы стабильные строения ЖК «Нурсая 1» (на переднем замысле), бизнес-центр «Астаналык» и ЖК «Новый мир» (по центру), ЖК «Арайлым», «Премиум» и «Версаль» (на заднем замысле), и стабильные рассеиватели на дорожной развязке ул.

Орынбор и Сарайшык.

Рис. 13. Трехмерное отображение стабильных рассеивателей на строениях ЖК «Успех Астаны» (справа на переднем замысле) и доме № 14/1 по проспекту Турана (слева на переднем замысле), и на строениях школы № 17, ЖК «Ак орда премиум» и ЖК «Радуга» (на заднем замысле). Кроме этого другие строения между проспектом Турана (слева) и проспектом Кабанбай Батыра (справа)

Рис. 14. Стабильные строения ЖК «Нурсая 1» (на переднем замысле), бизнес-центр «Астаналык» и ЖК «Новый мир» (по центру), ЖК «Арайлым», «Премиум» и «Версаль» (на заднем замысле).

Кроме этого стабильные рассеиватели на дорожной развязке ул. Орынбор и Сарайшык

На рис. 15 приведено трехмерное отображение стабильных постоянных рассеивателей на строениях Дома министерств (по центру), Верховного суда (слева сверху), администрации президента и парламентского комплекса (высотные строения на втором замысле) и резиденции президента Казахстана (на заднем замысле). Кроме этого продемонстрированы стабильные отражатели на протяжении набережной.

Рис. 15. Стабильные рассеиватели строения Дома министерств (по центру), Верховного суда (слева сверху), администрации президента и парламентского комплекса (высотные строения на втором замысле) и резиденции президента страны Казахстан (на заднем замысле). Стабильные отражатели на протяжении набережной

На рис. 16 продемонстрированы стабильные рассеиватели на мосту по ул. Сарайшык (по центру) и на строениях на заднем замысле. На рис.

17 приведены стабильные рассеиватели на строениях ледового дворца «Алау» (справа), футбольного стадиона «Астана арена» (слева) и велотрека «Сары-Арка» (задний замысел).

Рис. 16. Стабильные рассеиватели на мосту по ул. Сарайшык (по центру) и на строениях на заднем замысле

Рис. 17. Стабильные рассеиватели на строениях ледового дворца «Алау» (справа), футбольного стадиона «Астана арена» (слева) и велотрека «Сары-Арка» (задний замысел)

На рис. 18 продемонстрированы стабильные рассеиватели на строениях охладительных башен Акмолинской ТЭЦ-2. На рис. 19 приведено трехмерное отображение стабильных рассеивателей на строениях центрального стадиона им.

К. Мунайтпасова и на вторых строениях недалеко от угла проспекта Женис и ул. Кенесары.

Рис. 18. Стабильные (зеленого цвета) и незначительно поднимающиеся (голубого цвета) рассеиватели на строениях охладительных башен Акмолинской ТЭЦ-2

Рис. 19. Трехмерное отображение стабильных рассеивателей на строениях центрального стадиона им.

К. Мунайтпасова и на вторых строениях недалеко от угла проспекта Женис и ул. Кенесары

На рис. 20 продемонстрировано трехмерное отображение стабильных рассеивателей на строениях ЖК «Гранд Алатау» и близлежащих строениях недалеко от угла ул. Желтоксан и Рыскулова. На рис.

21 приведено трехмерное отображение стабильных рассеивателей на строении мечети динамика смещений и Нур Астана для одной из частей ее конструкции. Заметны незначительные сезонные смещения — деформации, но тренд стабилен. Целый векторный файл точек — постоянных рассеивателей радарного сигнала, рассчитанных на участок 10х10 км территории Астаны, передан клиенту в цифровом виде в форматах *shp и *kmz.

Рис. 20. Трехмерное отображение стабильных рассеивателей на строениях ЖК «Гранд Алатау» и близлежащих строениях недалеко от угла ул. Желтоксан и Рыскулова

Рис. 21. Трехмерное отображение стабильных рассеивателей на строении мечети динамика смещений и Нур Астана для одной из частей ее конструкции. Заметны незначительные сезонные смещения — деформации, но тренд за 2011–2013 гг. стабилен

Заключение и ВЫВОДЫ

По итогам интерферометрической обработки радарных данных со спутников COSMO-SkyMed-1-4 на территорию Астаны взяты свободные дистанционные информацию о деформациях и смещениях земной поверхности и сооружений с миллиметровой точностью.

  • Плотность точек — постоянных рассеивателей радарного сигнала составила в среднем 4420 точек/кв. км, на локальных участках достигая величины более 10 000 точек/кв. км.
  • Установлены отдельные оседающие и/либо деформирующиеся сооружения и здания, а также распознаны деформации одного из мостов.
  • Распознаны оседания отдельных сооружений Акмолинской ТЭЦ-2, возможно, вызванные добычей грунтовых вод.
  • Для каждого рассеивателя вычислена среднегодовая скорость смещений за целый скорость смещений и период наблюдений по годам.
  • Дополнительным атрибутом каждого постоянного рассеивателя есть безотносительная высота, что разрешило отобразить их на имеющихся в Гугл Earth трехмерных моделях строений.
  • Предстоящий мониторинг вероятен на базе ежемесячных съемок (12 съемок в год) с ежемесячным, ежеквартальным либо ежегодным обновлением деформаций и карт смещений.

Обработка результатов наблюдений за деформациями зданий и сооружений в комплексе CREDO


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: