Опыт определения смещений земной поверхности в районе Узон-Гейзерной депрессии и вулкана Кихпиныч (Камчатка) по данным радиолокационной спутниковой интерферометрии Sentinel-1 с разными параметрами съемки

Исследуемая территория расположена в юго-восточной части Узон-Гейзерной вулкано-тектонической депрессии Восточного вулканического пояса Камчатки, на территории Кроноцкого заповедника. Узон-Гейзерная вулкано-тектоническая депрессия представляет собой вулканическую структуру овальных очертаний, вытянутую в широтном направлении, имеющую размеры по кромке ограничивающих ее уступов 9×18 км, образовавшуюся в результате слияния нескольких кальдерных структур над неглубоким магматическим очагом [2]. Этот район привлекает особое внимание исследователей в части геодинамической активности территории более 50 лет. Так в 1970-1990х годах проводились полевые работы с электромагнитным профилированием местности, в 2008-2009 гг. по данным полевых наблюдений исследована локальная сейсмичность района [3, 4]. При отсутствии геодезического мониторинга, но в условиях стремительного развития технологий ДЗЗ исследователи труднодоступных территорий активно используют дистанционные методы определения изменений [4, 5].
Бассейн реки Гейзерной, находящийся в пределах Узон-Гейзерной депрессии, характеризуется высокой активностью склоновых процессов, развивающихся под воздействием экзогенных и эндогенных факторов. В то время как для правого борта долины характерны небольшие сели и следы древних масштабных обвалов, вызванных ростом экструзий [1], и активизация склоновых процессов на левом борту долины реки Гейзерной, обернувшихся геологическими катастрофами для Долины Гейзеров и уничтоживших часть гейзеров [4]. Особое внимание привлекли 2 крупных события последних десятилетий: обвало-оползень 2007 года, а также крупный обвал и связанный с ним оползень, которые произошли в верховьях Долины Гейзеров 4 января 2014 г., когда обрушился край лавового потока вулкана Сопка Желтая. Подробный обзор проводимых исследований был выполнен Ю.А. Кугаенко и соавторами в статье [4]. Подтверждение динамики мы находим в ранее опубликованном в 2005 году исследовании. Lundgren P., Lu Z. [5] проанализировали деформации поверхности в юго-восточном обрамлении Узон-Гейзерной кальдеры и ее окрестностях по данным RADARSAT-1 с 2000 по 2003 г. На левом борту долины р. Гейзерной у подножия сопки Желтой было зафиксировано поднятие территории примерно на 0,15 м. Этот факт контрастировал с результатами интерферометрической обработки, показывающими отсутствие значительной деформации на этом участке в периоды времени с 1999 по 2000 год и с 2003 по 2004 год. Исследователи заключили: распространение поверхностной деформации на соседний вулкан Кихпиныч без извержения предполагает, что деформация, скорее всего, имеет гидротермальное происхождение, возможно, вызванное перезарядкой магматического очага [5]. Визуальный анализ рисунка эрозионной сети на склоне сопки Желтой показывает ее некоторую аномальность, которая может быть связана с перестройками водотоков из-за локального поднятия земной поверхности [1].
Запуск радиолокационной программы Copernicus и свободно распространяемые данные, открывают возможность для повторения опыта исследователей кальдеры по интерферометрии и расширения параметров интерферометрических пар за счет особенностей съемки Sentinel-1, а также увеличения временного ряда наблюдений.
Оценка возможных изменений на территории вблизи сопки Желтая в период с 2016-2021 годов была проведена с использованием радиолокационных данных спутника Sentinel-1А уровня обработки SLC с тем же методическим подходом, но с расширенным спектром параметров радиолокационной съемки, и преследовало цель оценки возможных изменений – деформаций земной поверхности на исследуемой территории.
На территорию юго-восточного обрамления Узон-Гейзерной кальдеры было покрытие радиолокационными изображениями (РЛИ) Sentinel-1А с 4 вариантами геометрии съемки, параметры которых представлены в таблице.

Таблица. Параметры РЛИ на исследуемую территорию

Параметр -- Геометрия 1 -- Геометрия 2 -- Геометрия 3 -- Геометрия 4
___________
Направление нисходящий нисходящий восходящий восходящий
витка
___________
Поляризация ------ ВВ ------ ВВ ------ ВВ ------ ВВ
___________
Углы ----------- 40° ------ 35°------ 31,5° ------ 42°
визирования

Одной из особенностей съемки Sentinel-1 является режим TOPSAR, благодаря которому углов визирования варьируются в зависимости от одной из трех IW полос от 29,16 до 46,00°.
Обработка пар РЛИ выполнялась в 3 этапа в открытом программном обеспечении SNAP [6]. Первый предварительный этап включал в себя выбор фрагмента изображения на территорию кальдеры (Split) и уточнение орбитальных файлов (Apply Orbit file). Следующим этапом были коррегистрация (Back Geocoding), затем устранение спектральных разрывов (Enhanced Spectral Diversity), формирования интерферограммы (Interferogram Formation) и устранены разрывов полос (Deburst). Интерферограммы создавались с параметрами наклонной дальности и азимута равными окну 1х1, что сохраняло разрешение исходных РЛИ.
Исследуемый участок характеризуется неравномерно распределенной растительностью, а также обилием сезонных водотоков. Ввиду этого полученные интерферограммы было необходимо дополнительно обработать для корректной развертки фазы. Выполнилось маскирование территорий с заведомо низкой когерентностью (Land Sea Mask). Так как это дифференциальная интерферометрическая обработка, из фазы была удалена топографическая компонента (TopoPhaseRemoval) с использованием ЦМР SRTM 1SEC. После этого применяется некогерентное накопление (Multilook) с переходом к квадратному пикселю 5:1 – наклонная дальность: азимут. Для устранения оставшихся шумов применялся фильтр Голдштейна (GoldsteinPhaseFiltering).
Развертка фазы выполнялась встроенными алгоритмами SNAPHU алгоритмом MCF. Расчет смещений проводился встроенной операцией пересчет фазовых значений в абсолютные высоты. После были устранены оставшиеся некогерентные зоны со значениями когерентности <= 0,4.
По приведённому дифференциально интерферометрическому анализу видимых сантиметровых смещений на территорию вблизи сопки Желтая установить не удалось, как и в предшествующем исследовании 2005 года. Причиной тому может быть действительно отсутствие подвижек земной поверхности, недостаточные углы визирования или направление съемки. Тем не менее, проведенная работа стала качественным примером взаимосвязи параметров интерферометрической пары и физико-географических особенностей территории. Так, оптимальными параметрами РЛИ для территории окрестностей сопки Желтая ввиду расчлененного рельефа будет базовая линия от 20 до 70 м и от 25° до 30°, полученные на восходящем витке. Полученные результаты послужат критерием выбора данных для продолжения исследования по определения поднятий на территории склона сопки Желтая и расширению временного ряда мониторинга за счет архивной информации Sentinel-1, а также применению более требовательных методов дифференциальной интерферометрии.
Методика исследований разрабатывалась в рамках темы государственного задания географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова - № 121051400061-9, а также гранта Российского научного фонда № 21-17-00216, https://rscf.ru/project/21-17-00216/.