Технология измерения малых линейных перемещений с использованием спутниковых РЛС позволяет исследовать состояние дорог и зданий в городах

Специальные технологии

Справочная информация

Растет необходимость в профилактическом обслуживании инфраструктуры: идентификации опасных зон и предотвращении аварийных ситуаций, принятии своевременных мер в случае ухудшения состояния зданий, дорог и других объектов инфраструктуры. В качестве первичной проверки нужно выполнять сканирование городской инфраструктуры. Это недорого и позволяет проанализировать состояние большого количества объектов.

Для этого была разработана и выведена на рынок технология измерения малых перемещений с использованием спутниковых РЛС (радиолокационное синтезирование апертуры: РСА (примечание 1), которая применяется для сканирования инфраструктуры (примечание 2). В этой технологии измерения малых линейных перемещений для анализа используются данные, полученные от двух спутниковых РЛС. Ожидается, что анализ горизонтальных и вертикальных перемещений, выполненный с применением этой технологии, будет более точным, чем анализ перемещения в одном направлении с использованием данных, полученных с одной РЛС. Однако, в плотно застроенных районах сложно определить от какого именно сооружения была отражена радиолокационная волна, что затрудняет проекцию точек отражения для интеграции данных. При проецировании в принудительном режиме возможны ошибки в результатах анализа линейных перемещений, иногда существенные. Это ограничивает возможности использования этого метода сканирования городской инфраструктуры там, где нужна высокая точность.

Рисунок 1. Схематическое изображение технологии измерения малых линейных перемещений

Возможности новой технологии

Новая технология измерения малых линейных перемещений позволяет анализировать перемещения с точностью до миллиметра даже на городской территории — это запатентованная корпорацией NEC технология кластеризации точек отражения для их проецирования. В новом методе объект инфраструктуры рассматривается как совокупность твердых тел (например, цементная масса). Точки отражения радиолокационных волн, соответствующие одному твердому телу, объединяются для выполнения анализа малых линейных перемещений каждого объекта городской инфраструктуры, сканирование которого необходимо выполнить. В результате можно выявить критические, с точки зрения обслуживания сооружений, формы перемещений (например, оценить влияние значительного проседания грунта на здания на освоенных территориях).

1. Кластеризация точек отражения позволяет выполнить анализ перемещений для каждого объекта инфраструктуры
Для кластеризации точек отражения радиолокационных волн от одного твердого тела используются такие характеристики, как положение точки отражения и степень изменения сходства. В одном твердом теле точки отражения радиолокационных волн, как правило, расположены близко друг к другу. А поскольку изменения твердого тела происходят не только в случае серьезных структурных перемещений, но и в связи с изменениями веса внутри сооружения, изменения точек отражения на таком твердом теле тоже будут выглядеть одинаково. При кластеризации точек отражения с учетом этих двух характеристик полученные точки отражения проецируются на каждое твердое тело отдельно.

Рисунок 2. Кластеризация точек отражения для разных твердых тел, от которых они отражены

2. Правильная проекция кластеров точек отражения на основе картографических данных, используемых при выполнении анализа линейных перемещений
Форма и положение кластеров точек отражения, принадлежащих разным твердым телам, позволяют сравнить результаты анализа с картографическими данными. Точки отражения проецируются на объекты инфраструктуры, что обеспечивает точное проецирование результатов анализа точек отражения, полученных с двух РЛС. Анализ линейных перемещений на основе правильного проецирования позволяет получить результаты с незначительным количеством ошибок.

Рисунок 3. Анализ линейных перемещений с использованием технологии кластеризации точек отражения

Оценка этой технологии в зоне освоенной городской территории (рисунок 4) показала, что в случае проецирования точек отражения в принудительном режиме традиционным способом, разработанным для горной местности, кажется, что некоторые точки смещены вверх в отличие от остальных точек. Это означает, что нужно провести дополнительный анализ, чтобы определить, требуется ли ,  более детальная проверка, при этом увеличивается ее срок и стоимость. Новый метод обеспечивает правильное проецирование, и в результате видно, что вся поверхность проседает одинаково, нет нетипичных перемещений, то есть более глубокую проверку проводить не нужно. Срок и стоимость проверки под контролем.
Кроме того, в результате сравнения проседания и сдвига контрольных точек (примечание 3) в городских районах было установлено, что количество ошибок, допущенных в результате анализа, выполненного в ручном режиме, сократилось на 40 % по сравнению с традиционными технологиями проецирования, используемыми в горных районах.

Рисунок 4. Пример анализа перемещений на освоенной городской территории с использованием нового метода
(черным цветом изображен океан, а светло-серым — освоенная территория. Освоенные территории расположены по обе стороны канала)

Более точный анализ перемещений повышает надежность сканирования инфраструктуры и позволяет оптимизировать профилактическое обслуживание стареющей городской инфраструктуры.

NEC делает все возможное для того, чтобы эта технология использовалась в различных сценариях анализа перемещений: не только для диагностики состояния инфраструктуры, но и для мониторинга смещения грунта в зонах выполнения строительных работ и размещения крупномасштабных установок.

URL:https://igarss2018.org/

Примечания

(*1)
Радиолокационное синтезирование апертуры (РСА):
РСА — это технология получения радиолокационных снимков с высоким разрешением, которая позволяет значительно увеличивать размер радиолокационных антенн (апертуры) за счет движения спутников по орбите вокруг Земли. Например, ASNARO2, небольшой радарный спутник, разработанный корпорацией NEC, может делать снимки с разрешением 1 м с высоты нескольких сотен километров над землей. Но поскольку радар только измеряет расстояние, снимки получаются искаженными по сравнению со снимками, сделанными оптической камерой.


(*2)
Технология измерения малых перемещений с использованием РСА:
технология измерения перемещений с использованием радиолокационных снимков, представленных в виде точек отражения (или рассеянных точек) от поверхности земли и дорог, которые получают во время периодического обзора земной поверхности радиолокационной станцией. Распознавая стабильные точки отражения, принадлежащие одному объекту, на нескольких десятках радиолокационных снимков, полученных в ходе периодического обзора земной поверхности, и анализируя их на основе временных рядов, можно определить даже микроперемещения, до 1 мм в год, на поверхности земли и на дорогах. В настоящее время научно-исследовательской группой по вопросам обслуживания, реновации и управления инфраструктурой при администрации Кабинета министров Японии ведется исследование и разработка и планируется практическое применение технологии анализа перемещений с использованием одного спутника в рамках научно-исследовательской программы «Высокоточная и эффективная технология для мониторинга скорости перемещений в искусственных сооружениях», которая является частью программы SIP.


(*3)
Контрольные точки:
наблюдение за контрольными точками с высоты под руководством Государственной палаты Японии по геопространственной информации или местных органов власти.