Инженерно-геологический мониторинг (ИГМ) служит фундаментальной основой для обеспечения безопасности и устойчивости инженерных сооружений и территорий в условиях воздействия опасных геологических процессов. Его ключевая задача – систематическое наблюдение за состоянием геологической среды (массивы горных пород, грунты, подземные воды) и инженерных конструкций с целью своевременного выявления и прогнозирования развития неблагоприятных процессов, таких как оползни, карст, суффозия, осадки грунтовых массивов.
Классические методы ИГМ, базирующиеся на сетях наземных инструментальных наблюдений (геодезические реперы, пьезометрические установки, инклинометры) и визуальных обследованиях, обеспечивают высокую локальную точность, но сталкиваются с существенными ограничениями. К ним относятся высокая трудоемкость и стоимость регулярных полевых работ, ограниченный пространственный охват (дискретный характер данных), сложность мониторинга обширных или труднодоступных территорий (горная местность, зоны активных оползней), а также запаздывание в получении информации о развитии процессов на всей контролируемой площади.
Развитие дистанционных методов зондирования Земли (ДЗЗ) предоставляет инструментарий для преодоления этих ограничений. Это способствует переходу от реактивного подхода в мониторинге к проактивному – прогнозированию опасных процессов и превентивному управлению рисками. Методы дистанционного зондирования включают использование спутниковых снимков, аэрофотосъемки, лазерного сканирования и радиолокационных измерений. Применение технологий обработки изображений, таких как компьютерное зрение, и возможностей геоинформационных систем позволяет проводить комплексный анализ пространственного распределения различных геологических явлений, выявлять зоны риска и оценивать потенциальные угрозы.
Согласно [8] выделяется несколько уровней организации систем ИГМ: от детального (наблюдения на конкретной строительной площадке, оползневом склоне и т.п.) до глобального (межгосударственные наблюдательные сети и выявление планетарных закономерностей). И если подходы к применению данных дистанционного зондирования для осуществления детального мониторинга описаны в таких публикациях как [1,3,6], то региональный уровень, призванный обеспечить оценку изменений геологической среды территорий комплексного антропогенного освоения представлен в научных публикациях слабо (в качестве редкого примера таких исследований можно привести работы по мониторингу оползневой активности склонов в районе Большого Сочи, выполняемые специалистами Института физики Земли [9]).
Цель данного исследования – изучение потенциала применения методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) как инструмента регионального мониторинга на территории г. Москвы и оценка применимости общедоступных открытых данных для решения этой задачи. В качестве исходных материалов используются данные дистанционного зондирования, применяемые ГБУ «Мосгоргеотрест» для создания информационной системы «Цифровой двойник г. Москвы».
Развивая мысль академика В.И. Вернадского [2], можно сказать, что человек уже давно стал крупнейшей геологической силой. На городских территориях хозяйственная деятельность человека – основной фактор формирования и изменения массивов грунтов. В исследовании [7] показано, что объём техногенных грунтов в границах «Старой Москвы» (т.е. без учета присоединённых к Москве в 2012 г. территорий, ранее относящихся к Московской области) составляет около 1,95 км3, а их мощность достигает 40 м, в среднем составляя порядка 2 м. В рамках настоящего исследования для изучения масштабов процесса техногенного перемещения грунтовых масс в пределах Троицкого и Новомосковского округов (Новой Москвы) использовались данные дистанционного зондирования – результаты лидарной съемки высокого разрешения, полученные за период с 2019 по 2022 гг., на основе которых были построены цифровые модели рельефа (ЦМР) в формате растра с размером элементарной ячейки 4×4 м. Имея две и более таких ЦМР, можно провести анализ изменений, произошедших в исследуемый период. Выбор временного периода в рамках этого исследования определялся фактором наличия данных – с 2023 г. использование беспилотных летательных аппаратов на территории РФ было ограничено.
Для оценки баланса грунтовых масс за указанный период была разработана методика, заключающаяся в выявлении изменений по данным ЦМР. Были выделены участки с отрицательным изменением рельефа (выемки) от 1 м и более и насыпи мощностью от 1 м. Это позволило подсчитать суммарные объемы насыпей и выемок в каждом полигоне и оценить их соотношение.
Поскольку результаты любого из методов ДЗЗ могут иметь неточности и «артефакты», необходима тщательная проверка результатов. С помощью сервиса Google Earth Pro по данным спутниковых снимков за исследуемый период была произведена отбраковка таких участков. Несмотря на то, что данные были предварительно обработаны, в ряде случаев за насыпи принимались построенные дома, за выемки – снесенные здания, вырубленные леса. Большое количество «артефактов» наблюдалось вблизи водных объектов.
Результаты оценки показали, что объем насыпей превышает объем выемок в 2,5 раза. Такой дисбаланс обусловлен не только разуплотнением грунтов при выемке из тоннелей и котлованов, но и привозом грунта для планомерного возведения насыпей и песчаных подушек. Также следует учитывать несанкционированное перемещение земляных масс с территории старой части Москвы и Московской области (рис. 1).
Рис. 1. Идентифицированный по данным ДЗЗ несанкционированный отвал строительных отходов в Троицком административном округе г. Москвы
Общий прирост техногенных накоплений на территории Новой Москвы за 2019-2022 гг. составил 0,03 км3, что составляет около 1,5% от накопленных за многие столетия в границах Старой Москвы объёмов.
Среди природных факторов, определяющих перемещение масс грунтов, на территории ТиНАО наиболее существенен вклад оползневых процессов. Для поиска активных оползневых тел предложен следующий подход. В качестве участков интереса рассматривались территории, имеющие уклон не менее 5°, практически лишённые застройки, с захватом буферной зоны 100 м. Они были выбраны при помощи данных ЕГКО (единой городской картографической основы) г. Москвы и открытых данных Open Street Map. Площадь исследуемой области составила 20,2 км2. Путём попиксельного вычитания ЦМР были оцифрованы области, абсолютные отметки которых за исследуемый период изменились на 0,5 м и более (рис. 2а). В результате было выделено 10103 участков накопления и 10208 участков уменьшения объема грунта.
Последующая методика исходит из представления об оползневом склоне, как области денудации (участка уменьшения абсолютных отметок), расположенной у бровки, и области аккумуляции (участка их увеличения), расположенной у подошвы. Полигоны площадью менее 1000 м2 были отфильтрованы (рис. 2б), в результате чего выборка была сужена до 187 полигонов положительного и 269 полигонов отрицательного изменения. При дальнейшей обработке были удалены полигоны положительного и отрицательного изменения, находящиеся на расстоянии друг от друга более 100 м (рис. 2в). В результате было получено 36 полигонов потенциальной аккумуляции и 31 полигонов потенциальной денудации. Далее, с использованием ЦМР за 2019 г. были извлечены абсолютные отметки центроидов полигонов и оставлены только такие их пары, у которых абсолютные отметки полигона денудации превышают отметки полигона аккумуляции (рис. 2г).
Рис. 2. Методика поиска активных оползней по ЦМР: а – растр разности ЦМР за 2022 г. и 2019 г.; б – фильтрация полигонов по площади; в – фильтрация по взаимной удаленности; г – фильтрация по перепаду абсолютных отметок
В результате были получены 13 полигонов потенциальной аккумуляции и 16 полигонов потенциальной денудации, расположенных на 11 участках. На этом этап автоматизированной обработки был завершен, а ручная проверка с использованием ЦМР показала, что единственный оползневой склон, который был активен в исследуемый период, располагается районе п. Спортбазы (рис. 3, 4).
Рис. 3. Местоположение выявленного участка оползневой активности в районе пос. Спортбазы в Троицком административном округе г. Москвы
Рис. 4. Последствия схода оползня в районе пос. Спортбазы в Троицком административном округе г. Москвы (фото предоставлено ГПБУ «Мосэкомониторинг»)
В рамках исследования выполнялась оценка возможности использования открытых данных для целей выявления активных оползневых процессов. Была предпринята попытка охарактеризовать изменение рельефа земной поверхности на участках оползневых слонов г. Москвы с использованием общедоступных глобальных цифровых моделей местности (ЦММ) и рельефа. Обрабатывались цифровые модели: CopernicusDEM30 (2011-2015 гг.); ALOS30DEM (2006 г.); SRTM (февраль 2000 г.); FABDDEM (ЦМР на основе ЦММ CopernicusDEM без зданий и растительности). Все эти модели имеют пространственное разрешение в средних широтах порядка 30 м [5].
В качестве источника информации об активных оползневых склонах использовалась карта современных геологических процессов и явлений в составе геологического атласа г. Москвы масштаба 1:10 000 в редакции 2012 г. [4]. В легенде к карте выделены «…глубокие оползни в юрских отложениях, которые разделены на активные и неактивные, а также показаны потенциально оползнеопасные склоны. Активность оползневых склонов на момент выпуска атласа охарактеризована по данным ОАО «Геоцентр-Москва», работам институтов геоэкологии и физики Земли РАН…» [4]. Для оценки положения рельефа на начальный момент в качестве референсных моделей использовались ALOS30DEM и SRTM, поскольку они были выпущены раньше, чем Атлас, ЦММ CopernicusDEM30 и ЦМР FABDEM. Отметим, что точность глобальных моделей не позволяет применять методику, описанную ранее для территории Новой Москвы с выделением фактических областей сноса и аккумуляции, а лишь даёт возможность статистически охарактеризовать характер изменений в нижней и верхней частях оползневого склона. Из всех пар цифровых моделей ожидаемые результаты (уменьшение отметок рельефа в верхней части и увеличение в нижней) были получены при анализе моделей ALOS30DEM и FABDEM (табл. 1).
Таблица 1. Статистика изменения рельефа в границах оползневых участков г. Москвы в период с 2006 по 2011-2015 гг. по результатам сопоставления глобальных цифровых моделей ALOS30DEM и FABDEM
Рис. 5. Деградация растительности в результате схода оползня в районе п. Спортбазы — отображение на карте величин NDVI
Рис. 6. Пример деградация растительности в после возведения насыпи за счет препятствия поверхностным водам
Для выявления открытой воды в 1996 г. [12] был введен нормализованный водный индекс (normalized difference water index – NDWI), значения которого также лежат в диапазоне от -1 до 1, где вода и обводненные объекты имеют положительные значения, а у остальных объектов отрицательные. Принцип основан на том, что вода поглощает инфракрасный спектр и отражает зеленый, поэтому формула для расчета этого индекса выглядит следующим образом:
Рис. 7. Идентификация заболоченного участка (a) по нормализованному водному индексу NDWI (b), рассчитанному по изображению с ближним инфракрасным каналом (Ульяновский лесопарк, НАО)
В первой части статьи рассматривались вопросы мониторинга перемещения массивов грунтов (техногенного или природного) на примере обработки результатов воздушно-лазерного сканирования. Однако, для целей регулярного мониторинга осадок земной поверхности в региональном масштабе проведение лидарной съемки с БПЛА вряд ли может быть целесообразным. Большим потенциалом для выявления участков развития процессов в условиях городской застройки обладают методы спутниковой интерферометрии по данным радиолокаторов с синтезированной апертурой (РЛСА).
Существует две группы интерферометрических методов – первая (InSAR) направлена на определение высот поверхности земли и создания цифровых моделей рельефа (аналогично искусственному созданию стереопар), а вторая (DInSAR) включает себя подходы к оценке изменения высот и выявлению участков проявления деформаций (дифференциальная радарная интерферометрия) [17]. В последнее время активно развиваются технологии радиолокационной съёмки, выводятся на орбиту новые космические аппараты, повышается точность и пространственное разрешение данных [16], а кроме того, появляется новое программное обеспечение [10] для анализа таких данных.
Наибольшим интересом для мониторинга смещений земной поверхности обладает разновидность дифференциальной интерферометрии – метод устойчивых отражателей. Основная идея метода заключается в том, что расчет смещений выполняется по 15 и более снимкам за разные даты, причём обрабатывается не весь снимок, а пиксели с наименьшей дисперсией амплитуды и наибольшей когерентностью радиолокационного сигнала. Основное ограничение метода заключается в том, что из расчётов невозможно получить абсолютные вертикальные и горизонтальные смещения в трёхмерном пространстве. Существует ряд подходов, позволяющих решить такую задачу, например, использование съёмок с различных точек обзора. Но наиболее достоверный способ – организация натурных наблюдений за смещениями для установления корреляционной взаимосвязи между вертикальной и горизонтальной компонентами на исследуемой территории. Этот метод хорошо себя зарекомендовал при анализе застроенных территорий, в частности при наблюдении за осадкой крупных инженерных сооружений, линейных объектов. Кроме того, он широко применяется для мониторинга таяния ледников, выявления оползневых процессов, осадок поверхности, вызванных проходкой горных выработок, откачкой нефти и т.д.
Тема применения данных ДЗЗ для целей мониторинга перемещения грунтов и осадки грунтовых массивов многогранна и перспективна. Показано, что результаты детальной лидарной съемки позволяют выполнять оценку баланса грунтовых масс, выявлять их несанкционированное накопление, отслеживать динамику формирования техногенных массивов и осуществлять мониторинг перемещения оползневых масс. Применение общедоступных открытых ЦММ и ЦИР для этих целей ограничено их разнородностью, низким разрешением и отсутствием регулярного обновления. Тем не менее, можно предположить, что по мере развития технологий, комбинирование открытых данных за разные временные периоды с другими видами дистанционных данных в совокупности с применением методов машинного обучения позволят косвенно получать информацию об активности техногенных и природных процессов. Необходимо помнить о том, что каждый из методов ДЗЗ имеет свои ограничения и диапазон применения. Следовательно, наиболее эффективно комплексирование различных методов ДЗЗ (оптическая и лидарная съемка, интерферометрия), данных инструментального мониторинга, полевых геологических исследований. Для городских территорий и ответственных объектов целесообразна интеграция с общесистемными ресурсами и цифровыми двойниками городской среды. Применение интерферометрических замеров для мониторинга осадок земной поверхности – одно из наиболее перспективных направлений, которое авторы планируют развивать в дальнейшем. Одним возможных вариантов развития этого направления может стать мониторинг за деформациями объектов культурного наследия, кровля которых покрыта материалами с высокой отражающей способностью.
наверх
Поделиться
Поделиться
Скопировать ссылку
Оформить подписку