Мониторинг деформаций методом временных рядов InSAR в районе разработки рудника Цзинчуань на основе технологии мини-стекинга

Наблюдение за опусканием земли из космоса

Современные города, шахты и инфраструктура тихо поднимаются и опускаются по мере того, как смещается грунт под ними. В районе разработки рудника Цзинчуань в Китае — одном из мировых источников никеля и кобальта — годы выемки постепенно изменили рельеф, угрожая тоннелям, зданиям и дорогам. В этом исследовании показано, как ученые теперь могут отслеживать эти тонкие перемещения на протяжении многих лет с помощью радиолокационных спутников и более разумного подхода к обработке огромных объёмов данных, предлагая новый инструмент для повышения безопасности горных районов и находящихся рядом сообществ.

Почему земля вокруг шахт продолжает двигаться

Когда минералы извлекают из глубин, лежащие над ними горные породы теряют опору. Со временем слои породы провисают, трескаются и иногда обрушиваются, постепенно втягивая в это поверхность земли. В районе Цзинчуань эта проблема усугубляется слабыми типами пород, рыхлыми грунтами и загрязнением тяжёлыми металлами, которое уже повредило местную среду. Традиционные методы мониторинга — такие как нивелирные профили, станции GPS или полёты дронов — могут быть очень точными в отдельных точках, но они дорогостоящи, медленны и затруднительны над нестабильным грунтом. Кроме того, ими сложно охватить непрерывную картину на десятках квадратных километров или отслеживать изменения в течение многих лет.

Спутники, измеряющие миллиметры

Интерферометрическая синтетическая апертура радара (InSAR) предлагает выход из этих ограничений. Радарные спутники, такие как европейский Sentinel‑1A, многократно сканируют одну и ту же территорию с орбиты, и при сравнении фазы радиосигналов между парами изображений учёные могут выявлять движения грунта на уровне миллиметров в год. Однако эта мощь имеет свою цену: за десятилетие в орбите Sentinel‑1 накопил огромные архивы снимков, и использование всех этих данных в анализе временных рядов ставит в тупик даже современные компьютеры. При объединении сотен изображений накапливаются небольшие ошибки и случайные шумы, особенно в природных районах с растительностью или голой почвой, что снижает чёткость итоговой карты деформаций.

Сведение сотен изображений к нескольким

Авторы решили эту задачу, позаимствовав идеи из сжатия данных. Вместо того чтобы анализировать напрямую все 199 радиоснимков за 2017–2024 годы, они сгруппировали снимки, сделанные близко по времени, и использовали математические инструменты для описания того, насколько каждый снимок в группе похож на остальные. На этой основе они построили так называемую матрицу ковариации и применили разложение по собственным значениям (eigenvalue decomposition), чтобы выделить главный шаблон, который объединяет изображения. Этот шаблон использовали для построения единого «виртуального изображения», сохраняющего значимый сигнал деформации и отбросившего большую часть избыточного шума. Проведя такую операцию для всех групп, 199 исходных снимков сократились всего до 22 виртуальных изображений — метод, который авторы называют обработкой «мини-стека», при этом сохранялось покрытие всего семилетнего периода.

Более чёткое видение опускающейся шахты

Эти 22 виртуальных изображения затем были поданы в стандартный конвейер обработки InSAR для оценки временных перемещений грунта. По сравнению с результатами на полном, несжатом наборе данных, сжатый подход дал интерферограммы — особые радиолокационные дифференциальные изображения — с более чистыми, гладкими структурами и меньшим случайным «зерном». В среднем показатель ясности (измеряемый индексом когерентности) улучшился примерно на треть, а показатель нежелательных фазовых скачков снизился почти на пятую часть. Что наиболее примечательно, число надёжных точек мониторинга в пределах горнодобывающей зоны увеличилось более чем в 30 раз, выявив детальные особенности просадки, которые ранее были почти невидимы. При этом окончательные скорости деформаций, полученные из сжатых и исходных данных, совпадали очень хорошо — в среднем различие составило всего 0,01 миллиметра в год. Сопоставление с четырьмя наземными GPS-станциями также показало, что кривые, полученные со спутника, тесно соответствуют реальным движениям.

Что нам говорит земля

Улучшенные карты показывают, как части района разработки Цзинчуань медленно проседали в течение нескольких лет. Начиная с 2018 года, над главными рудными телами углублялась выраженная «воронка просадки», распространявшаяся на восток и запад и достигавшая к 2024 году максимального суммарного падения примерно в 10 сантиметров. Точки, расположенные в окружающих горах и жилых районах, оставались почти стабильными, тогда как те, что ближе к шахте и промышленным объектам, показывали постоянное усиление опускания. Полевые фотографии с трещинами в туннелях и деформированными подземными опорами подтверждают, что наблюдаемые радаром закономерности отражают реальные и серьёзные повреждения под землёй.

Новый инструмент для более безопасной долгосрочной добычи

Для неспециалистов вывод прост: сжимая продолжительные архивы радиоснимков в гораздо меньший, более чистый набор виртуальных изображений, учёные могут более эффективно и точнее контролировать медленные оседания грунта в долгосрочной перспективе. На руднике Цзинчуань подход мини-стека существенно снижает вычислительные затраты, одновременно сохраняя — а зачастую и улучшая — способность выявлять опасные зоны просадки до того, как они приведут к катастрофам. Ту же стратегию можно распространить на другие горнодобывающие районы, города и транспортно-инфраструктурные коридоры по всему миру, превращая постоянный поток спутниковых радиоданных в практическую систему раннего предупреждения о медленных, но опасных изменениях на поверхности Земли.

Цитирование: Guo, J., Zhang, G., Song, Y. et al. Times series InSAR deformation monitoring of Jinchuan mining area based on mini stack technology. Sci Rep 16, 5327 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35018-2

Ключевые слова: просадка грунта, радиолокационный спутниковый мониторинг, горнодобывающая деформация, InSAR временных рядов, космический мониторинг опасностей