• Продукти
  • Роботи на замовлення за даними ДЗЗ
  • Інтерферометрична обробка

Супутниковий геодинамічний радіолокаційний моніторинг окремих об’єктів та територій

   Моніторинг і просторовий аналіз деформацій земної поверхні має велике значення для планування землекористування, меліорації і  рекультивації земель.  Його результати застосовуються при розв’язанні різних наукових та інженерних задач, а також дають змогу вирішити низку прикладних завдань з охорони навколишнього середовища та встановлення рівня безпеки життєдіяльності. Сучасні геоінформаційні системи (ГІС) є потужним інструментом при комплексних геологічних дослідженнях, які проводяться, як в наукових, так і в виробничих цілях. Джерелом даних традиційно є геодезичні методи, які з високою точністю дозволять оцінити вертикальні зміщення окремих об’єктів та територій.  З появою радарних космічних систем з такою самою, як у систем видимого діапазону, просторовою розподільчою здатністю, можливості дистанційного зондування Землі з космосу значно зросли. Вони дають перевагу перед класичними геодезичними методами моніторингу вертикальних зміщень, такими як нівелювання і метод глобального позиціонування, в набагато більшій площі охоплення, яка цікавить виробництво і дослідника території, в незалежності від погодних умов і часу зйомки (день/ніч). Крім того, оперативність отримання інформації за геодезичними даними є досить низькою, тому що для отримання інформації про динаміку розвитку ситуації слід дотримуватися постійних серій спостережень і постійної постобробки їх результатів, необхідно проводити підготовчі і трудомісткі польові роботи.

   Для вирішення завдань космічного радарного моніторингу зсувів і деформацій земної поверхні і споруд застосовуються технології інтерферометричного опрацювання Persistent Scatterers Interferometry (інтреферометрія постійних розсіювачів радарного сигналу) і Small Baselines Series Interferometry (інтерферометрія серій малих базових ліній), реалізовані в програмному комплексі SARscape.

   Методи PS, SBAS є високоточними інструментами дистанційного зондування Землі. За рахунок використання довгих часових серій зображень отриманих радіолокаторами з синтезованою апертурою, ефективно пригнічуються похибки орбітальних даних, вплив атмосферних явищ. Метод PS ефективний в областях, де є велика кількість стійких відбивачів, зазвичай, техногенних (міська забудова, мости, естакади і т.д.). Серед всіх технологій інтерферометричної обробки радарних знімків найбільш точний розрахунок вертикальних зміщень досягається за даними інтерферометрії постійних розсіювачів радарного сигналу методом PS, середня швидкість вертикальних зміщень розраховується з точністю 2 - 4 міліметрів. В рамках методу SBAS реалізована можливість формування просторово "щільних" вихідних продуктів природних ландшафтів, однак на урбанізованих територіях його можливості різко обмежені. Він є менш автоматизованим і використовується для визначення вертикальних зміщень на незабудованих та не вкритих рослинністю територіях з сантиметровою точністю.

  З появою Європейських  двох ідентичних радіолокаційних  космічних апаратів Sentinel-1a,b (2014, 2016 роки), оперативність зйомки складає 6 діб, що відкриває безпрецедентні можливості по їх використанню з метою геодинамічного аудиту об’єктів і територій з майже геодезичною точністю вимірів. В рамках міжнародної співраці в НЦУВКЗ розгорнута система збереження та розповсюдження даних як частина програми «Copernicus».

   Нижче наведені два приклади виконаних робіт з використанням радіолокаційних даних КА Sentinel-1a,b на території України, а саме: техногенно-небезпечна територія ГХП «ПОЛІМІНЕРАЛ», житловий будинок м. Одесса, вул. Торгова, буд. №20. У районах дослідження з використанням радарних методів обробки даних (PS, SBAS) визначенні ділянки місцевості з деформаціями земної поверхні і досліджені окремі об’єкти на предмет їх просідання чи підняття. Масив отриманих даних за значний період часу дозволяє використати дані у математичних моделях для прогнозування ситуації у майбутньому.

ГХП «ПОЛІМІНЕРАЛ»

   Об’єктом дослідження є природно - техногенна система ГХП «ПОЛІМІНЕРАЛ» та прилегла територія. ГХП «ПОЛІМІНЕРАЛ»  завершило свою діяльність і розташоване на території Стебниківської міської Ради в 10 км від курорту Трускавець та районного центру Дрогобич Львівської області. Інтерферометричні дослідження проведені у період з 12.05.2016 по 15.11.2017 року. У зону досліджень (мал. 1), що склала 11,5 кв.км., ввійшли с. Солець, частково м. Стебник., с. Модричі та с. Колпець.

Середня швидкість вертикальних зміщень у місцях радарних вимірювань

Мал. 1. Тематична карта, відображає середню швидкість вертикальних зміщень у місцях радарних вимірювань (метод PS - точки, метод SBAS – хрестики) у мм/рік; жовто-червоні кольори визначають осідання об’єкту, сині підняття

   Видобуток калійної солі на підприємстві, згідно з початковими проектами, здійснювався без закладки відпрацьованих порожнин. За роки роботи підприємства на декількох підземних горизонтах від 90 до 370 метрів утворилися порожнини об’ємом близько 33 млн. кубічних метрів і завдовжки десятки кілометрів. Порожнини шахт розділені міжкамерними перегородками. Проникнення води в шахти призводить до розмивання перегородок, а отже до катастрофічного просідання земної поверхні і утворення провалів. Над порожнинами розташовані житлові будинки, високовольтні лінії, залізниця, автомагістраль, водогін, що живить водою населені пункти Дрогобич і Стебник.

   30 вересня 2017 року у результаті розмивання міжкамерних перегородок на території західного шахтного поля рудника № 2 утворилось карстове провалля діаметром близько 220 м та завглибшки 30 – 35 метрів. У результаті утворення провалля пошкоджено дві опори лінії електропередач 35 кВ. Відстань від карстового провалля до дороги становить близько 300 м та до найближчих будівель 800 - 900 метрів. 2 листопада 2017 року на території Модрицької сільської ради Дрогобицького району виявлено ще одно карстове провалля орієнтовним розміром 3 на 2 метра. У вирву потрапила ріка Вишниця, яка далі почала заповнювати порожнини рудника №2. Щоб унеможливити розмиття порід поблизу Стебника, річку скерували у природнє русло за допомогою труби. 06 квітня 2018 року у селі Модричі Дрогобицького району, неподалік від автодороги Дрогобич - Трускавець, виявили новий ґрунтовий провал, який має розміри 4х4 м і близько 4 м в глибину. Провал знаходиться в 500 м від будівель і в 100 м від електричної опори.

   За результатами супутникового моніторингу зони досліджень у період з 12.05.2016 по 15.11.2017 року методами PS і SBAS виконана одночасна інтерферометрична обробка 42 радіолокаційних знімків КА Sentinel-1a, Sentinel-1b з періодом зйомки 6 - 12 діб. Отримані точкові векторні файли (місця радарних вимірювань) з атрибутивною інформацією про вертикальні зміщення об’єктів:

  1. Методом PS визначено всього 8307 постійних відбивачів (місць радарних вимірювань) радарного сигналу (об’єкти, що не змінювали своєї форми впродовж періоду спостереження: будинки, споруди, дороги, кам’яні відвали, кар’єри, ділянки відкритого ґрунту). У роботі стабільними об’єктами за методом PS вважаються об’єкти, швидкість вертикальних зміщень яких знаходяться в інтервалі (-6…+6 мм/рік), всього визначено 7722 стабільні точки. У 585 точках зафіксовані вертикальні зміщення, максимальна швидкість, яких складає до -140 мм/рік, а підняття до +40 мм/рік.
  2. Методом SBAS визначено всього 10280 постійних відбивачів радарного сигналу (об’єкти, що не змінювали своєї форми впродовж періоду спостереження: кам’яні відвали, кар’єри, автомобільні та залізні дороги, ділянки місцевості без рослинності). У роботі стабільними об’єктами за методом SBAS вважаються об’єкти, швидкість вертикальних зміщень яких знаходяться в інтервалі (-10…+10 мм/рік), всього визначено 8492 стабільні точки. У 1788 точках зафіксовані вертикальні зміщення, максимальна швидкість, яких складає до -452 мм/рік, а підняття до +30 мм/рік.

   З використанням засобів геоінформаційної системи (ArcGis) і радіолокаційних інтерферометричних даних, проведений тематичний аналіз вертикальних зміщень, які відбулися у зоні досліджень. За результатами роботи отримана цифрова тематична карта (мал. 1), де місця радарних вимірювань оброблених за методом PS позначено точками, а за методом SBAS хрестиками. Вони приведені до кольорової шкали (жовто-червоні кольори визначають осідання об’єкту, сині підняття) з фіксованими інтервалами, яким автори проекту присвоїли наступні категорії геодинамічної небезпеки: значна, небезпечна, загрозлива, надзвичайна, критична, аварійна.

   Скупчення радарних вимірювань зі швидкістю вертикальних зміщень від -20 до -452 мм/рік, позначені на тематичні карті (мал. 1) червоними прямокутниками, які є ділянками з концентрованими деформаціями земної поверхні (далі по тексту - зони осідань (ЗО)). Всього ідентифіковано 24 зони осідань, ступень небезпечності кожної з них, визначено в залежності від швидкості вертикальних зміщень (інтервалу в якому знаходяться вимірювання згідно легенди) і кількості вимірів зі схожими значеннями.

  У зонах осідань з використанням картографічного і додаткового матеріалу ідентифіковані об’єкти державного значення і за результатами інтерферометричної обробки дана оцінка їх геодинамічного стану. Створені графіки, що відображають динаміку осідань у місцях радарних вимірювань, які визначені, як найбільш небезпечні.

    За результатами проведеної роботи найбільші осідання (аварійні і критичні – за шкалою авторів проекту) визначені у трьох зонах осідань: № 6, 17, 20 (мал. 1). ЗО №17 (аварійна) має найбільшу швидкість осідання -452 мм/рік, що призвело 30 вересня 2017 року до утворення провалля. Аналіз періоду часу з 10.10.2017 року по 15.11.2017 року (після утворення провалля) свідчить про продовження процесу деформації земної поверхні - на південній частині кар’єру визначені просідання до 45 міліметрів (мал. 2).
Динаміка просідань зони №17 у період з 10.10.2017 – 15.11.2017 року

Мал. 2. Динаміка просідань зони №17 у період з 10.10.2017 – 15.11.2017 року

   ЗО №20 (критична) є другою найбільш небезпечною зоною, оскільки через неї  проходить дорога державного значення (Т-14-02) і водогін м. Трускавець – м. Дрогобич, максимальна швидкість просідань у зоні складає -106 мм/рік, що призвело до пошкодження полотна автомобільної дороги. Аналіз інтерферометричних даних свідчить про повільне продовження просідань у зоні і за період часу з 10.10.2017 року по 15.11.2017 складає 9 міліметрів. ЗО №6 (аварійна) є третьою найбільш небезпечною зоною в якій розташований водогін, максимальна швидкість осідання складає -146 мм/рік. У випадку продовження процесів деформації земної поверхні існує висока імовірність пошкодження водогону та попадання прісної води р. Вишниця у зону шахтних полів  рудника №2.

   Крім того, у зоні досліджень у дев’яті зонах осідань (№ 2, 3, 5, 11, 14, 15, 18, 19, 21) зафіксовані інтенсивні просідання (загрозливі і надзвичайні) зі швидкістю від -30 до -80 мм/рік включно, у 12 зонах зафіксовані помірні просідання (небезпечні) земної поверхні ЗО (№1, 4, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 16, 22, 23, 24), швидкість осідань яких складає переважно від -20 до -30 мм/рік.

   За результатами роботи визначено:

  1. Інфраструктура ГХП «ПОЛІМІНЕРАЛ» у межах зони досліджень має наступні зони осідань та об’єкти в них:
  • Проммайданчик рудника №2 - ЗО №10 (небезпечна), №11 (небезпечна), №14 (небезпечна), №18 (загрозлива).
  • Депресійна лійка в напорах надсолених вод в гірничі виробки рудника №2 -  ЗО №5 (загрозливо - надзвичайна), №3 (загрозливо - надзвичайна),  №6 (аварійна), №12 (надзвичайна), №20 (критична), №17 (аварійна).
  • Вентствол «Східний» - №21 (загрозливо-надзвичайна).
  1. Автомобільна дорога (Т-14-02) державного значення знаходиться у ЗО №3, №12, №16, №20, найбільш небезпечною є ЗО №20 з максимальною швидкістю осідань      -106 мм/рік.
  2. Водогін між містом Трускавець і Дрогобич (лінія синього кольору зображена на мал. 1) знаходиться у ЗО №3, №6, №12, №20, найбільш небезпечними є ЗО №20 (максимальна швидкість осідань -106 мм/рік), №6 (максимальна швидкість осідань   -146 мм/рік).
  3. Лінії електропередач (лінія бордового кольору зображена на мал. 1) знаходяться у ЗО №3, №5, №6, №10, №13, №17, №18, №24. У зоні осідань №17 30 вересня 2017 року під час провалу земної поверхні пошкоджено дві опори лінії електропередач 35 кВ. Найбільш небезпечними є ЗО №5 (загрозливо - надзвичайна), №6 (аварійна), №17 (аварійна). 
  4. Залізнична колія знаходиться у зонах осідань №9 (максимальна швидкість осідань -26 мм/рік), №24 (максимальна швидкість осідань -21 мм/рік) визначених, як «небезпечні»; частина залізниці Львів-Трускавець знаходиться в області радарних вимірювань із значеннями осідань визначених, як «значні» (на мал. 1 місця радарних вимірювань позначені жовтим кольором, точкою – метод PS, хрестиком – метод SBAS і які знаходяться у діапазоні середньої швидкості осідань від -6,01 до -19,99 мм/рік), існує небезпека подальшого розвитку деформаційних процесів, які загрожують її безпечній експлуатації.
  5. Зафіксовані просідання у межах санітарних зон курорту Трускавця (ЗО: №12, №15, №16, №17, №18, №19, №20, №21, №22, №24).
  6. Зафіксовані просідання на окремих ділянках річки Вишниця (ЗО №3, №4, №5, №6). У ЗО №5 (загрозливо - надзвичайна) у руслі річки Вишниця 02 листопада 2017 року утворилося провалля, яке змінило напрямок руху води з попаданням її в порожнини рудника №2. Річку Вишниця спрямували в трубу та повернули у природне русло, щоб запобігти подальшому розмиванню водою карстових пустот.
  7. В окремих місцях с. Солець зафіксовані просідання, більшість яких розташовані у південній його частині. У зоні №7 (небезпечна) визначені найбільші осідання, максимальна швидкість, яких складає -25 мм/рік. Навколо населеного пункту розташовані зони осідань у яких зафіксовані інтенсивні просідання, найбільші у ЗО №6 (аварійна), №3 (загрозливо - надзвичайна), №2 (небезпечно-загрозлива).
  8. Біля східної частини с. Модричі зафіксовані інтенсивні осідання земної поверхні у ЗО №3 (загрозливо - надзвичайна), №5 (загрозливо - надзвичайна), №15 (загрозлива), №19 (загрозлива).

   Окремо слід відмітити, що провалля, які утворилися у зоні досліджень: 30.09.2017 р., 02.11.2017 р., 06.04.2018 року, знаходяться у зонах осідань з високою динамікою осідань (ЗО №17 - найбільша швидкість осідань у роботі -452 мм/рік, ЗО №5 - максимальна швидкість осідань -68 мм/рік, ЗО №3 -  максимальна швидкість осідань -55 мм/рік). За результатами проведеної роботи визначено, що у зоні досліджень постійно зберігається  надвисокій ризик пошкодження об’єктів державного значення (автомобільної дороги, водопроводу, ліній електропередач та ін.), що є загрозою  для безпеки людей та їх життєдіяльності. У межах гірничого відводу шахтних полів рудника №2 природно-техногенної системи ГХП «ПОЛІМІНЕРАЛ» та поблизу нього зафіксована найбільша кількість зон осідань,  які потенційно можуть стати наступними провалами земної поверхні.  Найбільшу вірогідність негативного розвитку геодинамічної ситуації слід очікувати на сам перед у зонах осідань з найбільшою швидкістю осідання №6, 17 і 20 з аварійним та критичним ступенем геодинамічної небезпеки, а також у зонах осідань з інтенсивними осіданнями № 2, 3, 5, 11, 14, 15, 18, 19, 21 з загрозливим і надзвичайним ступенем геодинамічної небезпеки та поблизу них. Так, наприклад, у зоні осідань №3 (загрозливо - надзвичайна) провалля утворилося вже після проведення процедур обробки радарних даних і це ще раз підтверджує небезпеку даної території.

 Місто Одеса, вул. Торгова, буд.20

   18 травня у м. Одеса по вул. Торгова, 20, сталося обвалення частини будівлі чотириповерхового житлового будинку 1890-го року забудови з мансардою на 30 квартир. По сусідству зі зруйнованим будинком раніше були лазні. Їх знесли, щоб побудувати новобудову. На мал. 1 червоним контуром позначена частина будинку, яка була знесена. На ділянці вже почали рити котлован. За словами мешканців прилеглих будинків, останнім часом тут вели роботи по демонтажу бетонної основи колишньої лазні. Зеленим контуром (Мал. 1) позначений житловий будинок (вул. Торгова, буд.20), що досліджується і який отримав пошкодження. Він розташований (Мал. 1 - зелений контур) в стик до демонтованого будинку (Мал. 1 - красний контур).

м. Одеса, вул. Торгова, буд.20

Мал. 1 – м. Одеса, вул. Торгова, буд.20

   На мал. 2 наведена фотографія житлового будинку (вул. Торгова, буд.20) до пошкодження, а на мал. 3 після його часткового обвалу.
м. Одеса, вул. Торгова, буд.20 (до обвалу)

Мал. 2 – м. Одеса, вул. Торгова, буд.20 (до обвалу)

м. Одеса, вул. Торгова, буд.20 (після обвалу)Мал. 3 – м. Одеса, вул. Торгова, буд.20 (після обвалу)

   На мал. 5 представлена тематична карта, що відображає оптичний знімок на якому нанесені радарні виміри (метод PS) у вигляді векторного шару (точки). Точки розфарбовані  за інтервалами середньої швидкості вертикальних зміщень, розрахованої за період досліджень, згідно легенди. Інтервали середньої швидкості вертикальних зміщень (мм/рік) та їх кольори - у легенді (мал. 4), створені виконавцями роботи.
Легенда, яка відображає інтервали середньої швидкості вертикальних зміщень

Мал. 4 – Легенда, яка відображає інтервали середньої швидкості вертикальних зміщень

Результати інтерферометричної обробки

Мал. 5 – Результати інтерферометричної обробки

   Середня швидкість за період досліджень (19.03.2019 – 12.05.2020 років) у точці №1, складає -13 мм/рік, а у точці №2 -14 мм/рік. Інші радарні виміри, які є на житловому будинку визначені, як стабільні, середня швидкість вертикальних зміщень знаходиться у межах від -4 до 5 мм/рік.

   На графіках (Мал. 6,7) представлена динаміка вертикальних зміщень в окремих точках №1, 2 (окремих радарних вимірюваннях). На горизонтальній осі представлені дати супутникової радіолокаційної зйомки, а на вертикальній осі представлені вертикальні зміщення точки у міліметрах. Перша дата супутникової зйомки (19.03.2019 р.) є точкою відліку. Оскільки у зазначених точках (окремих радарних вимірах) визначені осідання, то значення знаходяться в області від’ємних значень на вертикальній осі, яка позначає вертикальних рух.

Динаміка вертикальних зміщень в точці 1

Мал. 6 – Динаміка вертикальних зміщень в точці 1


Динаміка вертикальних зміщень в точці 2

Мал. 7 – Динаміка вертикальних зміщень в точці 2

   Дослідження динаміки руху у точці №1, дозволило визначити період мінімальних коливань по вертикалі та період часу, коли дана точка просідала. Це свідчіть про те, що у другому періоді просідала частина будинку. Так за інтерферометричними радарними даними визначено, що у першому періоді часу з 19.03.2019 по 15.09.2019 точка (радарний вимір) була майже стійка - рух по вертикалі був не значним і склав (-8 мм) – спостерігалось повільне незначне осідання. А у другому періоді часу з 15.09.2019 по 12.05.2020 визначене швидке осідання, яке склало (-31 мм). Аналогічну ситуацію ми бачимо і у точці №2.

Висновок

   З використанням супутникової радіолокаційної зйомки та інтерферометричного методу обробки «PS» проведений геодинамічний аудит житлового будинку (вул. Торгова, буд.20). Визначено, що з 21.09.2019 року почалося осідання об’єкту у західній частині будинку і загалом за цей період часу осідання склало 31 мм, що могло бути причиною обвалу.