Применение РСА интерферометрии для оценки состояния и устойчивости оползневых склонов, расположенных в районе северных порталов тоннельного комплекса №3, по объекту: «Совмещенная дорога Адлер - горноклиматический курорт «Альпика - Сервис»

Это исследование проведено по заказу ОАО НИПИИ "Ленметрогипротранс" (главный инженер проекта Ю.С.Исаев). Для решения этой задачи был использованы методы устойчивых отражателей в модификации А. Хупера и метод малых базовых линий. Для исследования влияния густой растительности, которой покрыты склоны гор, использованы данные двух спутников, работающих на разных длинах волн: спутник Европейского космического агентства ENVISAT (длина волны 5.6.см) и спутник японского космического агентства ALOS (длина волны 23.2 см). Со спутника Envisat использовались снимки по двум трекам: восходящему 85 (11 РСА изображений) и нисходящему 35 (22 РСА изображения), а со спутника ALOS - снимки по восходящему треку 588 (18 изображений). Распределение устойчивых отражателей по площади исследования показано на рис. 6.

  

Рис. 6. Положение устойчивых отражателей, полученных в результате обработки данных спутника ALOS. Точки нанесены на космический снимок района исследований, полученный с использованием программы Google-Earth. Вид с севера на юг. Оползневой склон расположен в центре снимка. Видна поверхность отрыва оползня на склоне. Точки синего цвета смещаются вниз по склону. Точки светло зеленого и светло желтого цвета имеют среднюю скорость смещений близкую к нулю.

На рис. 6 обращает на себя внимание следующее:

  1. Устойчиво отражающие площадки распределены по площади не хаотично. Они располагаются вдоль ручьев и речек, обнаженных участков, перегибов рельефа, т.е. там, где растительность менее густая и электромагнитная волна легче проникает к земной поверхности.

  2. Светло-зеленые тона на рис 6 соответствуют средней скорости смещений близкой к нулю. Обратите внимание, что эти точки четко прослеживают положение развязки на старом шоссе на правом берегу реки Мзымта и обнаженные берега самой реки в нижней части рисунка. Смещения в этих областях вероятнее всего близки к нулю. Это указывает на высокую точность данных спутниковой интерферометрии, а также на то, что поправки за атмосферные помехи, неточное знание ЦМР и орбит были введены правильно.

Временные ряды смещений в этих точках можно будет в дальнейшем использовать для уточнения поправок за атмосферу и неточное знание орбиты. Более того, устойчивое определение площадок с очень малой или нулевой скоростью смещений позволяет утверждать, что РСА интерферометрия будет эффективным средством мониторинга построенных эстакад и мостовых переходов на трассе Адлер – Красная Поляна.

Показателем устойчивости результатов являются также временные ряды смещений для отдельных устойчиво отражающих площадок. Примеры таких рядов, построенных для некоторых таких площадок, определенных по данным 85 трека спутника ENVISAT, приведены на рис. 7. 

Рис. 7. Временные ряды фазовых смещений для некоторых устойчиво отражающих площадок, определенных по данным 85 трека спутника ENVISAT. Для каждого графика тем же цветом дан линейный тренд.

Графики на рис 7 показывают, что хотя смещения происходят во времени неравномерно, направление смещений выдерживается устойчиво. Амплитуды короткопериодных скачков, которые, по-видимому, связаны с атмосферными и другими помехами, невелики. Средняя скорость определяется достаточно устойчиво.

Как уже отмечалось, РСА интерферометрия дает оценки смещений в направлении на спутник (LOS). При использовании данных с двух треков, мы имеем две проекции одного и того же вектора на два различных направлений LOS. Поскольку вектор характеризуется тремя компонентами (три проекции на вертикаль, на север и на юг, или угол падения, простирания и модель) для определения полного вектора смещений нужны дополнительные данные или предположения. Для оползней разумно предположить, что устойчиво отражающие площадки смещаются вдоль земной поверхности. Это дает третье недостающее условие в форме связи смещений по горизонтали и вертикали. Направление и модель смещений для устойчиво отражающих площадок, определенных с двух различных треков спутника ENVISAT, дано на рис. 8. 

Рис. 8. Восстановление направления смещения устойчиво отражающих площадок в пределах контура мониторинга в предположении, что устойчивые отражатели смещаются вдоль земной поверхности по направлению максимального градиента рельефа. Черные стрелки – направление градиента рельефа, сглаженные в окне 0.5х0.5 км, красные стрелки – направление смещения устойчиво отражающих площадок. Цифры – средняя скорость смещения в мм/год осредненная за период 2004 – 2010 гг. Синие треугольники – скважины.

Полученные смещения очень близки к направлению вектора градиента рельефа, за исключением точки вне контура мониторинга (синий прямоугольник). Эта точка указывает на смещение в том же направлении, что и точки в контуре, т.е. она предположительно движется со всем оползнем примерно на север.

Средняя скорость смещений в районе скважин лежит в интервале от 18 до 25 мм/год. Тут важно в дальнейшем точно привязать устойчиво отражающие точки к плану оползня, построенного по наземным данным, поскольку на исследуемом склоне имеется несколько активных оползневых участков, разделенных участками, на которых не наблюдаются активные оползневые процессы.

Поскольку результаты по совпадающим устойчиво отражающим площадкам на различных треках показали смещения в направлении близком к градиенту рельефа, мы применили этот подход ко всем площадкам предполагая, что проекция вектора средней скорости смещений на горизонтальную плоскость совпадает с направлением вектора градиента рельефа и что смещение происходит по рельефу. Пример реконструкции смещений для этого случая дан на рис. 9.  

Рис. 9. Средние скорости смещений (красные стрелки) в пределах исследуемого участка оползневого склона по данным нисходящего трека 35 спутника ENVISAT. Предполагается, что вектор смещений направлен по градиенту рельефа (черные стрелки) и что смещение происходит по рельефу. Цифры – средняя скорость смещений за период с 23/10/2003 по 08/07/2010 в мм/год. Синие треугольники – скважины.

Основные результаты этой работы состоят в следующем.

  1. Показано, что спутниковая РСА интерферометрия устойчиво работает в природных условиях Кавказа, несмотря на расчлененный рельеф и довольно густую растительность. РСА интерферометрия находит большое количество устойчиво отражающих площадок и позволяет оценить амплитуду их смещения как в коротковолновых данных спутника ENVISAT так и в более длинноволновых данных спутника ALOS.

  2. Спутниковая интерферометрия регистрирует активные деформации, по большей части, вероятно, связанные со склоновыми процессами. При этом активные процессы регистрируются не только в районе оползневого склона над северным порталом тоннельного комплекса №3, но и по всей долине реки Мзымта. Следовательно, спутниковая РСА интерферометрия является весьма эффективным инструментом для мониторинга опасных склоновых процессов во всей области трассы Адлер – Красная поляна.

  3. Устойчиво отражающие площадки надежно определяются в данных спутников ALOS и ENVISAT. Найденные площадки располагаются вдоль ручьев и рек, обнаженных участков, перегибов рельефа, т.е. там, где растительность менее густая и электромагнитная волна легче проникает к земной поверхности.

  4. Очень четко прослеживаются отражающие площадки в районе развязки на старом шоссе на правом берегу реки Мзымта и по обнаженным берегам самой реки. Смещения в этих областях оказались близкими к нулю. Это указывает на высокую точность данных спутниковой РСА интерферометрии, а также на то, что поправки за атмосферные помехи, неточное знание ЦМР и орбит учтены верно.

  5. Для оползневого участка склона получено, что смещения в районе скважин происходят в направлении близкому к направлению максимального градиента рельефа, т.е. примерно на север. Скорость смещений осредненная за последние 4-6 лет в районе скважин для различных отражающих площадок лежит в интервале 2-5 см/год. Для отдельных площадок в пределах участка, для которого проводился мониторинг, средняя скорость возрастает до 6-7 см/год.