Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 506, № 1, стр. 65-72

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время дистанционное зондирование является одним из самых эффективных инструментов количественной и качественной оценки индикаторов изменения климата и, прежде всего, в труднодоступных арктических регионах [1–3]. При помощи активных и пассивных сенсоров различных диапазонов длин волн возможен мониторинг в масштабах всей Арктики [4–7]. В связи с климатическими изменениями и соответствующим стремлением мирового сообщества к низкоуглеродному развитию значительный научный интерес стала представлять эмиссия парниковых газов, например, в виде газовых сипов во внутренних водоемах и арктических морях [7–10]. Также актуальны, с этой точки зрения, исследования кратеров в северной части западной Сибири на полуострове Ямал [11–20]. Кратеры образовались в результате газодинамического роста бугров пучения и последующего мощного выброса смеси газа, льда и мерзлых почвогрунтов. При помощи спутниковых оптических снимков сверхвысокого разрешения WorldView-1,2, SPOT-5 и БПЛА уточнялись даты выброса грунта. Созданы цифровые модели рельефа, выполнены оценки динамики бугров/кратеров и микрорельефа в результате выбросов почвогрунта, для выявления геоморфологических особенностей бугров/кратеров [11–20].

Необходимо отметить, что использование спутниковых снимков оптического диапазона длин волн для арктических регионов предполагает подбор данных безоблачного периода во время полярного дня. С этой точки зрения для регулярного мониторинга более эффективны данные спутниковых радиолокаторов [3, 8, 9, 21], которые способны получать информацию при любой облачности и независимо от времени суток. Цель настоящего исследования заключается в создании методики спутникового радиолокационного выявления аномальных деформаций бугров пучения на примере образования кратера (ранее бугра пучения) на полуострове Ямал в 2020 г. Этот бугор пучения (англ. perennial heaving mound – PHM) в результате газодинамического вспучивания и дальнейшего выброса смеси газа и мерзлой почвы превратился в 2020 г. в кратер C17 [13] (координаты 70°22′22″ с.ш., 68°42′22″ в.д.).

Бугры пучения представляют собой сложное шероховатое образование с различными углами наклона склонов, трещинными структурами различного масштаба и другими проявлениями микрорельефа. Полевые регулярные измерения динамики таких сложных образований не возможны из-за сложных климатических условий и труднодоступности, поэтому необходимы модельные исследования вкупе с дистанционными измерениями. При этом измерения должны быть основаны на широко известных и апробированных алгоритмах дистанционного зондирования.

МЕТОДИКА АНАЛИЗА ДИНАМИКИ РЕЛЬЕФА БУГРА ПУЧЕНИЯ

Рассмотрим динамику обратного радарного рассеяния в L-диапазоне от переднего (обращенного к радару) склона в предположении увеличения этого бугра пучения. Использование L-диапазона позволит нивелировать влияние микрорельефа, много меньшего 24-см длины волны. На рис. 1 а представлена начальная стадия увеличения бугра пучения: красной стрелкой показан сигнал, излучаемый радиолокатором в направлении земной поверхности; синим пунктиром – касательная к поверхности переднего (по отношению к радару) склона бугра пучения; черным пунктиром показан перпендикуляр к поверхности переднего склона в точке рассеяния; стрелками синего цвета показано обратное радарное рассеяние от наклонной поверхности. Длина стрелок пропорциональна интенсивности рассеяния. На следующем рис. 1 б представлен бугор пучения после увеличения размеров. Рассеяние от переднего склона (стрелки синего цвета на рис. 1 б), обращенного к радиолокатору, изменилось за счет изменения угла наклона поверхности рассеяния (синий пунктир на рис. 1 б). В данном случае представлен вариант, когда нормаль к плоскости рассеяния совпадает с направлением на радиолокатор и рассеяние в сторону радара максимально.

Интенсивность обратного радарного рассеяния характеризуется яркостью пиксела радиолокационного изображения. Отношение яркости пикселей, соответствующих переднему склону $\beta _{s}^{0}$ и горизонтальной поверхности $\beta _{H}^{0}$, вычисляется по следующей формуле [22]:

где ${{\theta }_{i}}$ – локальный угол падения радиолокационного импульса, ${{\alpha }_{{{\text{loc}}}}}$ – уклон склона, обращенного к радару. По мере вспучивания уклон возрастает, что приводит к росту относительной яркости переднего склона бугра пучения (обращенного к радару) на фоне стабильной яркости соседних горизонтальных участков. Шероховатости рельефа не учитываются.

Известно, что процессы таяния/замерзания грунта, которые происходят в арктических регионах с апреля по ноябрь, существенно влияют на уровень радиолокационного эхо-сигнала. Поэтому для обнаружения увеличения PHM с изменением уклона склонов (рис. 1) бугра пучения, воспользуемся анализом радарных изображений ALOS-2 PALSAR-2 зимнего периода времени на согласованной горизонтальной (HH) и кросс-поляризации (HV) за следующие даты: 09.02.2017 г., 25.01.2018 г., 10.01.2019 г., 09.01.2020 г. Максимальная пространственная интерферометрическая базовая линия для этих данных не превышает 280 м, что означает о незначительных различиях углов падения радиолокационного сигнала для этих разновременных изображений.

На рис. 2 приведены фрагменты изображений интенсивности. Для устранения спекл-шума изображения были фильтрованы при помощи медианного фильтра. Геокодирование и калибровка данных радиолокации выполнены с использованием цифровой модели рельефа (ЦМР) ArcticDEM [23] с разрешением на местности 2 м. Тестовый участок с бугром пучения и фоновый участок стабильной горизонтальной поверхности отмечены на рис. 2 соответственно контурами красного и синего цвета. Площадь участков 9550 и 9200 м² соответственно.

Проанализируем динамику изменения яркости объекта, считая, что шероховатости много меньше длины волны L-диапазона. Для этого рассчитаем усредненные значения по территории тестового участка и максимальные значения, соответствующие переднему склону. Дальнейшее нормирование на среднюю яркость фонового участка позволяет исключить незначительное общее увеличение или снижение яркости изображений. Отношение максимального значения тестового участка и среднего значения фонового участка согласно формуле (1) позволяет оценить уклон переднего склона бугра пучения.

На рис. 3 а представлены графики изменения относительной средней яркости бугра пучения (непрерывные линии) и яркости переднего склона (пунктирные линии). По оси абсцисс отложены годы съемки, по оси ординат – отношение интенсивностей тестового и фонового участков. Для согласованной горизонтальной поляризации в 2017–2018 гг. средняя интенсивность объекта и максимальная на переднем склоне превышала фоновые значения в 1.5 и 2.5 раза соответственно. В 2019 г. намечается небольшое увеличение, а в  2020 г. 3–4-кратный рост в среднем для бугра и 8–16-кратное увеличение на переднем склоне соответственно для HH- и HV-поляризаций. Для расчета уклона преобразуем формулу (1):

При этом воспользуемся значениями локальных углов падения ${{\theta }_{i}}$ по ЦМР ArcticDEM: по бугру пучения угол в основном изменяется в пределах 30–35°. На рис. 3 б приведены графики расчетной зависимости уклона α_loc от отношения яркостей наклонной и горизонтальной поверхности $\beta _{s}^{0}{\text{/}}\beta _{H}^{0}$ при двух граничных значениях локального угла падения ${{\theta }_{i}}$ – 30° и 35° (линии синего и красного цвета). Там же представлена динамика угла наклона переднего склона PHM в 2017–2020 гг. при ${{\theta }_{i}}$ = 30° на основе данных двух каналов поляризации HH и HV. Как видно по рис. 3 б, расчетная величина уклона переднего склона возрастает от 22–24° в 2017–2018 гг. до 26–28° в 2020 г. В среднем по бугру – от 11°–14° до 20–24°.

АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Расчеты выполнены в предположении отсутствия изменений шероховатости поверхности склона PHM, и для реальной ситуации необходима корректировка.

Выполним теперь качественный визуальный анализ радарных изображений и количественную оценку динамики PHM. На рис. 4 представлен псевдо-цветовой композит, полученный на основе расчета разновременной статистики по радарным данным ALOS-2 PALSAR-2 на кросс-поляризации за 2017–2020 гг.: красный цвет – отношение стандартного отклонения к среднему значению (коэффициент вариации), зеленый цвет – минимальное значение, синий цвет – градиент изменения величины радарного рассеяния (максимальные абсолютные изменения между последовательными съемками). Для устранения спекл-шума был использован пространственно-временной фильтр Гранди [24] окном 5 × 5 пикселов.

Пятно синего цвета в центре рис. 4 соответствует бугру пучения и означает максимальное увеличение величины обратного радарного рассеяния с 2017 по 2020 г. по сравнению с окружающим фоном. Это композитное изображение фактически показывает возможность обнаружения аномальной динамики PHM при помощи качественного визуального анализа.

Далее на рис. 5 а, б представлены графики изменения ЭПР на различных поляризациях по данным за 2017–2020 гг., построенные вдоль профиля № 1, проведенного через центр бугра пучения с запада на восток (см. рис. 4). Центр PHM находится на расстоянии 400 м от начала профиля. На рис. 5 в, г – аналогичные графики для профиля № 2 север–юг. Для сравнения на удалении от бугра параллельно профилю “запад–восток” проведены два других профиля – № 3 и № 4. Графики амплитуды обратного рассеяния для этих профилей представлены на рис. 5 д, е. Очевидно, что они не имеют существенных межгодовых различий.

Представленные графики демонстрируют значительное увеличение амплитуды радарного эхо-сигнала в январе 2020 г. по сравнению с предыдущими более стабильными годами (до 5–7 дБ на кросс-поляризации и порядка 2–4 дБ на согласованной горизонтальной поляризации), что согласуется с выражением (1). Различие до 3–5 дБ для кросс-поляризации и согласованной горизонтальной поляризации может быть связано с увеличением разномасштабной шероховатости поверхности, например, c образованием трещинных структур в результате интенсивного вспучивания. Отражение от подобных структур разного масштаба и различной направленности фактически вносит дополнительный вклад в радиолокационный сигнал. Данное обстоятельство сложно проверить ввиду редкости аналогичных событий и труднодоступности этих мест. Поэтому рассмотрим этот эффект увеличения радиолокационного эхо-сигнала при помощи классического способа: относительной пространственно-временной оценки изменений величины обратного радарного рассеяния (данные калиброваны) для бугра пучения. Для этого воспользуемся критерием Фишера–Снедекора ${{F}_{{{\text{расч}}}}}$, представляющего собой отношение дисперсий D или квадратов СКО за различные годы. В данном исследовании использован критерий Фишера–Снедекора в виде:

где D_Year – дисперсия для 2018, 2019 и 2020 г., ${{D}_{{2017}}}$ – дисперсия за 2017 г. В табл. 1 представлены расчетные усредненные значения критерия Фишера–Снедекора для участка изображения, соответствующего бугру (нижний контур на рис. 2) для HH- и HV-поляризации. В 2020 г. вычисленные значения F_расч(HH) = 2.5 и F_расч(HV) = 8.8, в то время как в 2018 и 2019 г. соответствующие величины порядка 2 и менее.

На рис. 6 приведены фрагменты изображений изменения интенсивности между съемками 2019  и 2020 г. для поляризаций HH (рис. 6 а) и HV (рис. 6 б). Как видно по распределению яркости, зона значительных изменений на кросс-поляризации больше в 4 раза аналогичной зоны изменений на поляризации HH (площади зон 37 600 и 9550 м²).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для обнаружения бугров пучения с аномальной динамикой предложена методика, позволяющая оценить изменение уклонов склонов бугров пучения по разновременным радиолокационным данным. В результате расчетов с использованием разновременных данных обратного радарного рассеяния в L-диапазоне показано, что величины уклона переднего (по отношению к радиолокатору) склона PHM возрастают от 22–24° в 2017–2018 гг. до 26–28° в 2020 г.

Анализ величины обратного радарного рассеяния за период с 10.01.2019 г. по 09.01.2020 г. на согласованной горизонтальной и кросс-поляризации показал значительное ее увеличение на месте бугра пучения. При этом величина для кросс-поляризации выше таковой для согласованной горизонтальной на 3–5 дБ. В результате статистических оценок разности обратного радарного рассеяния при помощи критерия Фишера–Снедекора за указанный период и за промежуток времени с 25.01.2018 г. по 10.01.2019 г. установлено, что зона значительных изменений на HV-поляризации больше в 4 раза аналогичной зоны изменений на поляризации HH. Сделан вывод, что данный эффект связан с увеличением неоднородностей микрорельефа, т.е. с образованием трещинных структур по бугру пучения и вокруг него.

Таким образом, предложена методика, позволяющая выявить аномальную динамику рельефа бугров пучения, с целью прогнозирования выбросов газа с образованием кратеров на основе анализа данных величины обратного радарного рассеяния L-диапазона зимнего периода времени на согласованной и кросс-поляризациях.