Назарян Айк Назаретович
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
|
содержание |
Актуальность работы
В настоящее время во всем мире выполняется огромное количество работ с применением методов спутниковой радиолокационной интерферометрии. Это оценка деформаций в результате опасных геологических процессов (землетрясения, вулканы, оползни, просадки грунтов и мн. др.), техногенных процессов (просадки сводов туннелей и горных выработок, отдельных зданий и т.д.) и задачи экологического мониторинга (разливов нефти, например).
Спутниковые данные для проведения такого рода исследований являются открытыми и могут быть получены в космических агентствах стран, владеющих спутниками. Тем не менее, объем работ в этом направлении в России невелик, хотя в такой огромной и динамично развивающейся стране как Россия, приложений для методов спутниковой интерферометрии особенно много.
Возьмем в качестве примера Алтайское землетрясение 27.09.2003 г. За три года до этого землетрясения на Алтае был организован геодинамический полигон. Более пяти лет здесь проводятся высокоточные геодезические измерения. Сразу после землетрясения была развернута сейсмологическая сеть, проведены сейсмотектонические исследования. По настоящее время проводится сейсмологический мониторинг. В то же время, весьма информативные исследования по методу спутниковой интерферометрии не проводились, модель поверхности разрыва не была построена. Эти исследования были выполнены нашими коллегами из США и Великобритании, но без использования огромного объема данных, собранного российскими учеными. Первая российская работа по комплексной инверсии наземных и спутниковых данных для очаговых зон землетрясений была выполнена в ИФЗ РАН при непосредственном участии автора данной диссертации. В результате была построена комплексная модель косейсмических деформаций для Алтайского землетрясения.
До настоящего времени в России не получил распространения и метод мониторинга техногенных сооружений, основанный на технике устойчивых отражателей (Persistent Scatterer Interferometry).
Актуальность работ по развитию и применению методов спутниковой интерферометрии для территории России, с учетом климатических, географических и других особенностей отдельных исследуемых территории, представляется совершенно очевидной.
Цель работы
Целью настоящей работы является развитие и применение методов дифференциальной спутниковой РСА-интерферометрии для оценки деформаций земной поверхности, в частности в результате землетрясений, и мониторинга техногенных объектов.
Основные задачи
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
1. Обзор и систематизация теоретических основ и опыта применения спутниковой радиолокации с синтезированной апертурой (РСА) и метода дифференциальной РСА-интерферометрии. Анализ преимуществ, недостатков и ограничений метода. Исследование метода как инструмента для оценки составляющих смещений земной поверхности. Оценка чувствительности метода к величине смещения различных типов земной поверхности. Анализ алгоритмов обработки радиолокационных данных по методу РСА-интерферометрии и методов интерпретации результатов обработки.
2. Комбинирование метода дифференциальной РСА-интерферометрии с методами наземных геофизических наблюдений при исследовании очаговых зон землетрясений. Разработка и реализация методов комплексной инверсии спутниковых и наземных данных для построения модели поверхности разрыва. Практическое применение метода для изучения косейсмических процессов в зоне Алтайского (27.09.2003) землетрясения.
3. Изучение возможности применения метода устойчивых отражателей для мониторинга городских территорий, отдельных зданий и составляющих их блоков на примере Главного здания МГУ и прилегающей территории. В частности, исследование возможности выявления долговременных трендов (до нескольких лет) в смещениях отдельных устойчиво отражающих площадок, таких как участки крыши здания МГУ, устойчиво отражающие участки земной поверхности. Выработка рекомендаций по отбору снимков для исследуемой территории, для минимизации помех, связанных с атмосферой, снежным покровом и растительностью.
Научная новизна исследования
1. Разработана новая методика совместной инверсии спутниковых и наземных данных для определения конфигурации поверхности разрыва и оценки распределения на ней вектора смещений.
2. С использованием разработанной методики построена новая модель области разрыва Алтайского землетрясения, согласующая со всем комплексом спутниковых и наземных данных.
3. С использованием техники устойчивых отражателей впервые проведен мониторинг динамики высотного здания МГУ и прилегающих территорий. Выявлено наличие сезонных и длиннопериодных (5 и более лет) составляющих движений, различная подвижность отдельных частей здания.
Практическая значимость исследования
1. Разработанная методика совместной инверсии спутниковых и наземных данных позволяет проводить совместный анализ всей имеющейся информации, что повышает устойчивость решения соответствующих обратных задач.
2. Построена новая модель зоны разрыва Алтайского землетрясения, согласованная со всем комплексом наземных и спутниковых данных, что важно для оценки динамики полей напряжений в Алтайском регионе и, в конечном счете, для оценки сейсмической опасности.
3. Впервые с использованием спутниковых данных выполнен мониторинг высотного здания МГУ и прилегающих территорий. Выявлено наличие длиннопериодных трендов в динамике здания. Полученные результаты важны для правильного планирования создаваемой в настоящее время комплексной системы мониторинга здания МГУ и прилегающих территорий.
4. На основании большого числа современных зарубежных и открытых отечественных работ выполнено систематическое описание теории методов спутниковой РСА-интерферометрии, освещенной в недостаточном объеме в отечественной литературе. Что вместе с полученными результатами исследований, подтверждающими большие перспективы применения методов спутниковой интерферометрии на примере территории России, должно способствовать распространению данных методов в нашей стране.
Личный вклад автора
1. Освоение, установка, наладка и тестирование двух различных программных комплексов, использующих интерфейс командной строки Unix-систем, для интерферометрической обработки спутниковых радиолокационных данных (ROI_PAC и DORIS).
2. Отбор, заказ и получение радиолокационных снимков в Европейском космическом агентстве. Подготовка цифровых моделей рельефа по данным SRTM (радарная топографическая съемка, миссия Шаттла).
3. Интерферометрическая обработка радиолокационных снимков, получение дифференциальных интерферограмм и их перевод в значения поля смещений (развертка фазы). Построение временных рядов методом устойчивых отражателей. Построение карт скоростей смещения.
4. Постановка задачи, численная реализация и проведение расчетов по совместной инверсии спутниковых и наземных данных выполнена в сотрудничестве с В. О. Михайловым и Е. А. Киселевой. Интерпретация данных по Алтайскому землетрясению и по мониторингу высотного здания МГУ выполнена совместно с В. О. Михайловым и С. А. Тихоцким.
Основные защищаемые положения
1. Разработана новая методика совместной инверсии спутниковых и наземных данных, позволяющая определить положение поверхности разрыва и распределение вектора смещений на ней. Методика реализована в виде пакета программ и опробована на теоретических и практических примерах.
2. Построена новая модель зоны разрыва и поля смещений Алтайского землетрясения (27.09.2003), объясняющая весь комплекс спутниковых и наземных данных о косейсмических движениях в очаговой зоне этого землетрясения. Новая модель важна для правильной оценки региональных полей напряжения и прогноза сейсмической опасности.
3. Показано, что при надлежащем выборе спутниковых снимков (орбиты, метеоусловия) метод устойчивых отражателей является надежным инструментом для выявления медленных и малых деформаций промышленных зданий и сооружений. Метод впервые апробирован на примере динамики высотного здания МГУ и прилегающих территорий. Выявлены короткопериодные (сезонные) и длиннопериодные тренды в динамике здания МГУ и отдельных его частей на уровне миллиметров в год.
Апробация результатов исследования и публикации
Вошедшие в диссертацию результаты получены в рамках проекта РФФИ <Определение локальных косейсмических деформаций на основе новых методов комплексного анализа спутниковых и наземных данных и исследование их взаимосвязи с региональными тектоническими напряжениями> (грант 08-05-00466), проектов Европейского космического агентства (ESA) N 4254 и N 4886, а также в периоды работы автора в Институте физики Земли Парижа (IPGP, Франция) в рамках научного сотрудничества между ИФЗ РАН и IPGP (июнь 2007 и 2008 г.) и Делфтском техническом университете (TU Delft, Голландия) в июне 2008 г.
Основные результаты были представлены на 31 Генеральной ассамблее Европейской сейсмологической комиссии (Крит, Греция, 8-12 сентября, 2008), 7-ом Международном симпозиуме <Проблемы экоинформатики> (Москва, 5-7 декабря 2006 г.), 62-ой научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 16-17 мая 2007 г.), 3-ей Международной конференции <Земля из космоса - наиболее эффективные решения> (Московская область, Ленинский район, п/о Ватутинки-1, ФГУДП ОК "Ватутинки", 4-6 декабря 2007 г.), а также на семинарах ИФЗ РАН, отделения геофизики геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, Институте физики Земли Парижа (IPGP) и Делфтского технического университета (TU Delft).
По материалам диссертации опубликовано 7 работ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 119 страниц машинописного текста, в том числе 5 таблиц, 35 рисунков и список использованных литературных источников из 125 наименований.
Благодарности
Автор выражает большую благодарность своим научным руководителям: доктору физико-математических наук, профессору В. О. Михайлову за неизменное внимание, грамотно поставленные задачи, установление необходимых научных контактов, организацию крайне полезных командировок и доктору физико-математических наук, профессору В. В. Калинину за ценные обсуждения физических основ РСА-интерферометрии, помощь в процессе написания работы и расширение кругозора.
Автор выражает искреннюю признательность экспертам в области спутниковой интерферометрии Р. Ханссену (Голландия), Ж.-Б. де Шебалье (Франция), Ю. Фиалко (США), Я. Хамелю (Израиль) и А. И. Захарову за помощь и консультации в период освоения интерферометрических методов и выполнения данной работы, а также Е. А. Киселевой и С. А. Тихоцкому за помощь в реализации схемы решения обратной задачи.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность М. Диаману и Н. Шапиро за поддержку проектов в рамках научного сотрудничества между ИФЗ РАН и IPGP.
Автор безмерно благодарен своему отцу, доктору физико-математических наук, Назаряну Н. А. и матери Назарян А. В. за предоставленную возможность заниматься научной деятельностью в процессе учебы в аспирантуре.
| 