Мониторинг экзогенных воздействий на протяженные объекты транспортной инфраструктуры с использованием радиолокационной спутниковой съемки

Наблюдаемое в последнее десятилетие активное развитие спутниковых систем, оснащенных радиолокаторами с синтезированной апертурой, послужило импульсом для активизации разработок методов, основанных на использовании радиолокационной информации, для различных применений. Кроме обеспечения возможности оперативной съемки наземных объектов вне зависимости от погодных условий и времени суток, благодаря регистрации амплитудной и фазовой компонент сигнала радиолокационные спутниковые системы позволяют получать детальные и высокоточные цифровые модели рельефа, а также оценивать смещения наблюдаемой поверхности с субсантиметровым уровнем точности по результатам дифференциальной интерферометрической обработки серий снимков. Это позволяет эффективно использовать методы радиолокационной спутниковой интерферометрии для мониторинга стабильности зданий, крупных сооружений, протяженных объектов топливно-энергетического и транспортного комплекса на территориях, подверженных геодинамическим деформациям, вызываемым карстово-суффозионными, оползневыми или криогенными процессами, добычей полезных ископаемых или строительными работами.
Применение методов радиолокационной спутниковой интерферометрии рассмотрено на примере организации мониторинга инфраструктуры железнодорожного транспорта. Методы на основе спутниковой съемки выступают как часть комплексной системы геотехнического мониторинга железнодорожной инфраструктуры на участках со сложными инженерно-геологическими условиями, эффективно дополняя традиционно применяемые периодические осмотры и инструментальные обследования инфраструктурных объектов. Такой подход позволяет осуществлять контроль ситуации не только в полосе отвода и охранных зонах, но и на прилегающих (в том числе труднодоступных) территориях. При этом обеспечивается периодический контроль экзогенных процессов и оценка состояния инфраструктурных объектов, прогноз развития неблагоприятных процессов и назначение мероприятий по предотвращению разрушительных воздействий, приводящих, в том числе, к внезапным деформациям пути.
С 2010 г. в рамках работ по мониторингу потенциально опасных природно-техногенных воздействий на объекты железнодорожной инфраструктуры на участке Туапсе–Адлер Северо-Кавказской железной дороги используются данные спутниковой съемки высокого разрешения, осуществляемой радиолокационной группировкой COSMO-SkyMed, и дифференциальная интерферометрическая обработка этих данных по методике PSP (Persistent Scatterer Pairs), разработанной специалистами итальянской компании e-GEOS. Методика является развитием методов дифференциальной интерферометрии с выявлением так называемых устойчивых отражателей (PS) – элементов изображения, соответствующих участкам местности, сохраняющим характеристики обратного рассеянья радиолокационного сигнала со временем.
Методика предусматривает анализ изменений фазы пар соседних (в пределах некоторой окрестности) отражателей и итерационное построение графа, объединяющего все пары устойчивых отражателей сцены, демонстрирующих согласованное поведение на серии радиолокационных снимков. Благодаря использованию избыточной информации о разнице изменений фазы (отражающей взаимные смещения устойчивых отражателей в отдельных парах) при построении единого графа, данная методика не чувствительна к ошибкам при первоначальном выборе стартового набора устойчивых отражателей, а также не требует использования априорных упрощенных моделей смещений при развертке фазы. Использование методики PSP обеспечивает выявление существенно более плотной сети устойчивых отражателей по сравнению с традиционным методом PS, что особенно важно при исследовании территорий с развитым вегетационным покровом. Получаемые оценки смещений устойчивых отражателей существенно меньше зависят от влияния атмосферных помех и других шумов, избыточная информация обеспечивает высокую точность оценок. Используемая эффективная параллельная схема реализации алгоритма позволяет обеспечивать обработку больших наборов радиолокационных данных с использованием вычислительных кластеров.
Кроме построения детальных карт, отражающих средние скорости смещений выявленных устойчивых отражателей и динамику смещений за время регистрации серии радиолокационных снимков, формируются производные продукты, облегчающие анализ развития геодинамических процессов. Карты изменений отображают области, в которых за последнее время наблюдавшиеся ранее устойчивые отражатели радиолокационного сигнала перестали регистрироваться в связи с существенными изменениями ландшафта (например, при активизации оползня или в результате строительных работ). Так называемые карты критических деформаций позволяют выделить зоны, в которых поведение устойчивых отражателей за последнее время существенно отличается от ранее наблюдавшегося тренда – происходит активизация или стабилизация процесса. Учет цифровой модели рельефа позволяет оценить предполагаемые направления смещений устойчивых отражателей в случае анализа склоновых процессов, а также оценить предполагаемую величину перемещения объектов на местности (исходные результаты дифференциальной интерферометрической обработки обеспечивают оценку смещений объектов в проекции на направление радиолокационной съемки).
Полученные в рамках реализации проекта по мониторингу железнодорожной инфраструктуры на участке Туапсе – Адлер результаты подтвердили эффективность применяемого подхода к использованию результатов дифференциальной радиолокационной интерферометрии при мониторинге протяженных инфраструктурных объектов, эксплуатируемых в сложных инженерно-геологических условиях.