Мониторинг оседания земной поверхности в урбанизированных районах с помощью спутниковой радиолокационной интерферометрии

В выпускной квалификационной работе предлагается методика мониторинга на основе метода радиолокационной спутниковой интерферометрии по открытым данным радарного спутника Sentinel 1. В результате выполненной работы было реализовано следующее: определены причины возникновения оседаний земной поверхности; рассмотрены методы их мониторинга; изучена общая теория радиолокационной спутниковой интерферометрии; выбран метод для урбанизированных территорий – мультивременой DInSAR; методика реализована на открытом программном обеспечении SNAP и QGIS; сформированные методические указания.

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………………………………3

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ ОСЕДАНИЯ ЗЕМНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ В УРБАНИЗИРОВАННЫХ РАЙОНАХ И МЕТОДОВ ИХ
МОНИТОРИНГА …………………………………………………………………………………………………………..6

1.1 Типы и причины оседаний земной поверхности в урбанизированных районах ……6
1.2 Современные методы мониторинга оседаний земной поверхности …………………..15
ГЛАВА 2. МИРОВОЙ ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ
ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
…………………………………………………………………………………………………………………………………….21

2.1 Основные принципы и характеристика радиолокационного зондирования Земли
2.2 Принципы радиолокационной интерферометрии ……………………………………………..24
2.3 Методы интерферометрической обработки ………………………………………………………27
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ МОНИТОРИНГА ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ В УРБАНИЗИРОВАННЫХ РАЙОНАХ С ПОМОЩЬЮ
СПУТНИКОВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ SENTINEL 1 ………….39

3.1 Общие сведения о КА Sentinel 1 и его сенсорах ………………………………………………..39
3.2 Интерферометрическая обработка методом мультивременного DInSAR …………..43
3.3 Апробация метода ……………………………………………………………………………………………50
ГЛАВА 4. МЕТОДИКА МОНИТОРИНГА ОСЕДАНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В
УРБАНИЗИРОВАННЫХ РАЙОНАХ ……………………………………………………………………………52

4.1 Динамика оседаний земной поверхности на южной части города Санкт-Петербург
4.2 Методические рекомендации по проведению мониторинга предложенным
методом …………………………………………………………………………………………………………………….56
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………………………………………….61

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………………………..63

Интернет источники ……………………………………………………………………………………………………..67

ПРИЛОЖЕНИЕ №1 ……………………………………………………………………………………………………..69

ПРИЛОЖЕНИЕ №2 ……………………………………………………………………………………………………..70

ПРИЛОЖЕНИЕ №3 ……………………………………………………………………………………………………..73

Оседания земной поверхности в урбанизированных районах — проблема, по праву
занимающая важное место в современном мире, которая неизбежно нуждается в оператив-
ном и постоянном наблюдении для предотвращения возможных последствий. В выпускной
квалификационной работе предлагается методика мониторинга на основе метода радиоло-
кационной спутниковой интерферометрии по открытым данным радарного спутника Senti-
nel 1.
В результате выполненной работы было реализовано следующее:
1) Определены причины возникновения оседаний земной поверхности. Природа их воз-
никновения бывает как геологическая, так и антропогенная. Эти явления широко изу-
чены учеными из разных областей географии, геоморфологии, геологии и даже эколо-
гии.
2) Рассмотрены методы мониторинга опусканий земной поверхности. Большинство изу-
ченных типов оседаний подвергаются наземным геодезическими и аэрогеодезическими
измерениям. Однако масштабирование работ на урбанизированные территории будет
довольно ресурсозатратным.
3) Изучена общая теория радиолокационной спутниковой интерферометрии, методами
которой можно получать информацию на обширные территории, чем и оправдано ре-
шение разрабатывать методику, основанную на свободно распространяемых данных
радарного спутника Sentinel 1.
4) Среди существующих методов радиолокационной спутниковой интерферометрии для
определения оседаний земной поверхности в урбанизированных районах и был выбран
метод мультивременой DInSAR и апробирован на территориях городов Санкт-Петер-
бург, Череповец и Мехико.
5) Вся методика реализована на открытом программном обеспечении для обработки ра-
диолокационных данных – SNAP и для геоинформационного анализа и картографиче-
ской визуализации – QGIS. Все этапы обработки данных были автоматизированы и ре-
ализованы в Graph Builder и составлены рекомендации по каждому из этапов. Для кар-
тографической визуализации и отображения статистики были приведены примеры с
выделенной группой инструментов для этого.
6) Сформированные методические указания помимо этапов обработки содержат техниче-
ские рекомендации, основанные на проведённых тестах. Обработка радиолокационных
данных крайне требовательный к ОЗУ процесс, поэтому были выбраны три варианта:
6, 12, 64 Гб. Проведенный анализ, позволил оценить временные затраты на обработку
одной пары и сформировать технические критерии к вычислительным машинам для
оперативных определений оседаний.
Реализация разработанной методики проведена на данных по г. Санкт-Петербургу за
период с июня 2018 по май 2019 года и показала, что критических смещений не наблюда-
ется. Также получилось установить медленную просадку грунта во Фрунзенском районе,
которая впоследствии привела к прорыву подземных коммуникаций и попаданию пасса-
жирского транспорта в горячую воду.
Предложенная методика мониторинга потенциально сэкономит время пользовате-
лей на получение информацией об оседаниях земной поверхности в урбанизированных рай-
онах и позволит определять тенденции в просадках грунта и устранять причины до возник-
новения опасных последствий. Данную методику возможно совершенствовать за счет ис-
пользования более точных ЦМР и контрольными геодезическими измерениями, однако, это
уже другой уровень мониторинга, предполагающий задействование денежных средств и
использование данных, находящихся под государственной тайной.

1. Апачиди К. Н., Верещагин О. Р. Анализ процессов оседания земной поверхности в рай-
оне горных выработок на основе радиолокационных спутниковых данных //Проблемы
геологии и освоения недр: труды XIX Международного симпозиума имени академика
МА Усова студентов и молодых ученых, посвященного 70-летнему юбилею Победы
советского народа над фашистской Германией, Томск, 6-10 апреля 2015 г. Т. 1.—Томск,
2015. – 2015. – Т. 1. – С. 467-469.
2. Баранов Ю. Б. и др. Мониторинг смещений земной поверхности на разрабатываемых
месторождениях углеводородов с помощью комплекса космических и геодезических
методов //Недропользование XXI век. – 2009. – №. 1. – С. 60-64.
3. Балдина Е. А., Трошко К. А., Николаев Н. Р. Радиолокационные данные Sentinel-1 и
возможности их обработки для дешифрирования форм рельефа острова котельный //
Известия высших учебных заведений. 2016. №. 3. С. 78-85.
4. Баринов А. В. и др. Опасные природные процессы //М.: Изд-во Академия ГПС МЧС
России. – 2009.
5. Верба В. С. и др. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования.
– 2010.
6. Гусев В. Н. и др. Основы наземной лазерно-сканирующей съемки: Учеб. пособие
//СПб.: Санкт-Петерб. гос. горн. ин. – 2007. – Т. 2007. – С. 86.
7. Деревенская О.Ю., Эколого-экономические аспекты развития городов: конспект лек-
ций, КФУ, Казань, 2014. – С. 134.
8. Джувеликян Х. А., Щеглов Д. И., Горбунова Н. С. Загрязнение почв тяжелыми метал-
лами. Способы контроля и нормирования загрязненных почв //Воронеж: Изд-во ВГУ. –
2009.
9. Дмитриев П.Н., Новые методы обработки и интерпретации данных радарной спутнико-
вой интерферометрии: дис. к. ф.-м.н. ИФЗ РАН, Москва, 2013. — С. 124.
10. Доросинский Л. Г. Оптимальная обработка радиолокационных изображений, формиру-
емых в РСА. – 2017.
11. Зинченко О. Н. Беспилотные летательные аппараты: применение в целях аэрофото-
съемки для картографирования //М.: Ракурс, Россия http://www. racurs.ru. – 2011.
12. Калашник Ж. В. Влияние изменения уровня грунтовых вод на инженерно-геологиче-
скую обстановку Нижнего Поволжья //Вестник Астраханского государственного тех-
нического университета. – 2006. – №. 6.
13. Кантемиров Ю. И. Обзор современных радиолокационных данных ДЗЗ и методик их
обработки с использованием программного комплекса SARSCAPE //GEOMATICS. –
2010. – №. 3. – С. 44.
14. Коберниченко В. Г., Сосновский А. В. Особенности построения цифровых моделей ре-
льефа на основе метода космической радиолокационной интерферометрии //Труды
СПИИРАН. – 2013. – Т. 28. – №. 0. – С. 194-208.
15. Коган Р. М., Калманова В. Б. Кислотность почв как показатель экологического состоя-
ния городской территории (на примере г. Биробиджана) //Региональные проблемы. –
2008. – №. 10.
16. Кольцов П. В. Методика без отражательных наблюдений за деформирующимися участ-
ками бортов карьеров и отвалов //Записки Горного института. – 2012. – Т. 198.
17. Копенков В.Н., Баврина А.Ю. Обработка радиолокационных данных // Метод. указания
к лаб. работе. – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2010. – 40 с.
18. Ксендзук, А. В. Решение задачи развёртки фазы и устранения неоднозначности опре-
деления высоты в двухчастотном интерферометре с синтезированной апертурой / А. В.
Кендзук // Журнал радиоэлектроники. – 2002. – № 9.
19. Курчин Г. С. и др. Проблемы экологии при добыче нерудных строительных материалов
в России //Современные проблемы науки и образования. – 2013. – №. 6. – С. 1-1.
20. Леухин А. Н., Безродный В. И., Воронин А. А. Дистанционное зондирование Земли с
помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны //Ученые записки Ка-
занского университета. Серия Физико-математические науки. – 2018. – Т. 160. – №.1.
21. Максимович Г. А. Химическая география вод суши. – ГЕОГРАФГИЗ 1955, 1955.
22. Максимович Г. А. Основы карстоведения: Том I. Вопросы морфологии карста, спелео-
логии и гидрогеологии карста. – Пермское книжное издательство, 1963. – Т. 1.
23. Маруашвили Л. И. Морфологический анализ карстовых пещер //Очерки по физической
географии Грузии. Тбилиси. – 1969. – С. 5-84.
24. Неровных А.Н., Заворотный А.Г., Бутенко В.М., Опасные природные процессы: учеб.
Пособие. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2015. – 306 с.
25. Огородова Л. В., Шилкин П. А. Определение геодезических координат из простран-
ственной линейной засечки //М.: МИИГАиК. – 2015.
26. Орынбасарова Э.О., Соутер Э. Особенности обработки и применения радарных сним-
ков Sentinel-1 при деформационном мониторинге земной поверхности на примере
нефтяного месторождения западного Казахстана //Интерэскпо ГЕО-Сибирь. XIV Меж-
дунар. науч. конгр., Пленарное заседание: сб. материалов. – Новосибирск: СГУГиТ,
2018. – C. 83-90.
27. Пономаренко М.Р., Разработка метода деформационного мониторинга открытых гор-
ных работ в условиях крайнего севера с использованием космического радиолокацион-
ного зондирования: дис. к.т.н. Горный университет, Санкт-Петербург, 2018— С. 155.
28. Разумов Г. А., Хасин М. Ф. Тонущие города. – Стройиздат, 1991.
29. Родионова Н. В., Синило В. П. Способы подавления спекл-шума в радиолокационном
изображении // Автометрия. 1993. №. 5. С. 96.
30. Середович В. А. и др. Наземное лазерное сканирование. – 2009.
31. Синцов А. В., Бармин А. Н. Современная классификация почвенного покрова город-
ских территорий //Геология, география и глобальная энергия. – 2011. – №. 3. – С. 149-
155.
32. Смирнов А.В., Обзор беспилотных летательных аппаратов для картографирования//
Материалы VI Международной научно-практической конференции «Геодезия, марк-
шейдерия, аэросъемка на рубеже веков», Москва, 2015.
33. Трошко К.А., Разработка методики использования радиолокационных данных для те-
матического картографирования: дис. к.г.н. МГУ, Москва, 2018— С. 158.
34. Хаметов Т. И. Инженерная геодезия. Учебное пособие по направлению подготовки
08.05. 01 «Строительство уникальных зданий и сооружений». – 2016.
35. Шарапов Р. В. и др. Исследование карстового провала в с. Чудь Нижегородской области
//Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. – 2014. – №. 4. – С. 22.
36. Методические указания по наблюдениям за деформациями бортов разрезов и отвалов,
интерпретации их результатов и прогнозу устойчивости. – Л.: ВНИМИ, 1987. – 118 с.
37. Bateson L. et al. The application of the Intermittent SBAS (ISBAS) InSAR method to the
South Wales Coalfield, UK //International Journal of Applied Earth Observation and Geoin-
formation. – 2015. – Т. 34. – С. 249-257.
38. Casagli N. et al. Monitoring, prediction, and early warning using ground-based radar interfer-
ometry //Landslides. – 2010. – Т. 7. – №. 3. – С. 291-301.
39. Cascini L. et al. Subsidence monitoring in Sarno urban area via multi‐temporal DInSAR tech-
nique //International Journal of Remote Sensing. – 2006. – Т. 27. – №. 8. – С. 1709-1716.
40. Chen C. W., Zebker A. H. SNAPHU: statisticalcost, network-flow algorithm for phase un-
wrapping //Retrieved April. – 2003. – Т. 27. – С. 2016.
41. Fang J. et al. Compressed sensing SAR imaging with multilook processing //arXiv preprint
arXiv:1310.7217. – 2013.
42. Ferretti, A. Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in differential
SAR interferometry / A. Ferretti, C. Prati, F. Rocca // IEEE transactions on geoscience and
remote sensing. – 2000. – Vol. 38. – No. 5. – P. 2202–2212.
43. Ferretti A. et al. Submillimeter accuracy of InSAR time series: Experimental validation //IEEE
Transactions on Geoscience and Remote Sensing. – 2007. – Т. 45. – №. 5. – С. 1142-1153.
44. Fernandez P. et al. First delimitation of areas affected by ground deformations in the Gua-
dalfeo River Valley and Granada metropolitan area (Spain) using the DInSAR technique //En-
gineering Geology. – 2009. – Т. 105. – №. 1-2. – С. 84-101.
45. Gernhardt S. et al. Potential of very high-resolution SAR for persistent scatterer interferome-
try in urban areas //Annals of GIS. – 2010. – Т. 16. – №. 2. – С. 103-111.
46. Ghiglia, D. G. Robust two-dimensional weighted and unweighted phase unwrapping that uses
fast transforms and iterative methods / D. G. Ghiglia, L. A. Romero // J. opt. soc. amer. A.. –
1994. – Vol. 11. – No. 1. – P. 107–117.
47. Goel K., Adam N. An advanced algorithm for deformation estimation in non-urban areas //IS-
PRS journal of photogrammetry and remote sensing. – 2012. – Т. 73. – С. 100-110.
48. Herrera G. et al. Advanced DInSAR analysis on mining areas: La Union case study (Murcia,
SE Spain) //Engineering Geology. – 2007. – Т. 90. – №. 3-4. – С. 148-159.
49. Hellwich, O. SAR interferometry: Principles, processing, and perspectives / Olaf Hallwich //
Technische Universität München. – 1999. – P. 109–120
50. Holzer T. L. et al. Mitigating losses from land subsidence in the United States. – National
Academies, 1991.
51. Hooper, A. A new method for measuring deformation on volcanoes and other natural terrains
using InSAR persistent scatterers / A. Hooper, H. Zebker, P. Segall, B. Kampes // Geophysical
research letters. – 2004. – Vol. 31. – L. 23611. – P. 1–5.
52. Hooper A. et al. A new method for measuring deformation on volcanoes and other natural
terrains using InSAR persistent scatterers //Geophysical research letters. – 2004. – Т. 31. –
№.23.
53. Huang J. et al. A Homogenous Pixel-Weighted Interferometric Phase Filtering Method for
Time-series InSAR //Beijing Da Xue Xue Bao. – 2018. – Т. 54. – №. 6. – С. 1242-1250.
54. Lanari R. et al. A small-baseline approach for investigating deformations on full-resolution
differential SAR interferograms //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. –
2004. – Т. 42. – №. 7. – С. 1377-1386.
55. Moreira A. et al. A tutorial on synthetic aperture radar //IEEE Geoscience and remote sensing
magazine. – 2013. – Т. 1. – №. 1. – С. 6-43.
56. Peduto D. et al. A general framework and related procedures for multiscale analyses of DIn-
SAR data in subsiding urban areas //ISPRS journal of photogrammetry and remote sensing. –
2015. – Т. 105. – С. 186-210.
57. Samsonov S. V. et al. Rapidly accelerating subsidence in the Greater Vancouver region from
two decades of ERS-ENVISAT-RADARSAT-2 DInSAR measurements //Remote Sensing of
Environment. – 2014. – Т. 143. – С. 180-191.
58. European Space Agency. Sentinel-1 User Handbook. – 2013.
59. Valero, J. L. A survey of phase unwrapping techniques, with applications to SAR / J. L.
Valero, I. Cumming // Technical report. – 1995.
60. Werner C. et al. Interferometric point target analysis for deformation mapping //IGARSS
2003. 2003 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Proceedings
(IEEE Cat. No. 03CH37477). – IEEE, 2003. – Т. 7. – С. 4362-4364.
61. Yerro A. et al. Analysis of the evolution of ground movements in a low densely urban area by
means of DInSAR technique //Engineering Geology. – 2014. – Т. 170. – С. 52-65.
62. Yagüe-Martínez N. et al. Interferometric processing of Sentinel-1 TOPS data //IEEE Trans-
actions on Geoscience and Remote Sensing. – 2016. – Т. 54. – №. 4. – С. 2220-2234.
63. Zeitoun D. G., Wakshal E. Land subsidence analysis in urban areas: the Bangkok metropolitan
area case study. – Springer Science & Business Media, 2013.
64. Zhang Y. et al. Monitoring of urban subsidence with SAR interferometric point target analy-
sis: a case study in Suzhou, China //International Journal of Applied Earth Observation and
Geoinformation. – 2011. – Т. 13. – №. 5. – С. 812-818