Zbigniew PERSKI Ocena dynamiki osiadania terenu GZW metodą sate

Zbigniew PERSKI Ocena dynamiki osiadania terenu GZW metodą sate

WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie
____________________________________________________________________________
Mat. Symp. Warsztaty 2000
str.107-113
Zbigniew PERSKI
Uniwersytet Śląski , Sosnowiec
Ocena dynamiki osiadania terenu GZW metodą satelitarnej
interferometrii radarowej
Streszczenie
W artykule zaprezentowano możliwości wykorzystania satelitarnej interferometrii
radarowej do oceny dynamiki osiadania terenu GZW. Metoda ta, wykorzystuje radarowe
obrazy satelitarne, i umożliwia uzyskiwanie obrazu osiadań dla ogromnego obszaru w dokładnie tym samym przedziale czasowym. Pomimo pewnych ograniczeń może ona stać się
w przyszłości cennym, niezależnym źródłem danych o przestrzennej charakterystyce dynamiki
osiadania, możliwym do wykorzystania w skali regionalnej a także i lokalnej.
1. Wstęp
Podnoszonym ostatnio problemem nauk o ochronie terenów górniczych jest dynamika
procesu osiadania powierzchni terenu pod wpływem eksploatacji. Najnowsze badania
potwierdzają, że dynamika osiadań jest bardzo czuła na wszelkie zmiany prędkości eksploatacji podziemnej (Kowalski 1999, Sroka 1999). Co więcej, badania te nabierają szczególnego
znaczenia wraz z wprowadzanymi ostatnio zmianami prawnych aspektów eksploatacji
podziemnej (Kwiatek 1997, 1999). Badania te są niestety bardzo kosztowne i trudne, gdyż
wymagają stosowania powtarzanych pomiarów wybranych ciągów niwelacyjnych i w związku
z powyższym są ograniczone zwykle tylko do wybranych pól lub punktów testowych.
2. Satelitarna interferometria radarowa
Satelitarna Interferometria Radarowa (InSAR) to metoda teledetekcyjna wykorzystująca
wzajemne przesunięcia fazy sygnału dwóch obrazów radarowych tego samego obszaru
wykonanych sekwencyjne z nieznacznie różnych pozycji w czasie kolejnych nalotów
(rys. 2.1). W oparciu o różnice faz sygnałów poszczególnych pikseli, które są różne wskutek
różnej odległości obiekt – antena SAR na obu obrazach, uzyskuje się informację o wartościach
względnych rzędnej powierzchni terenu lub jej zmianach w czasie (Zebker i Goldstein 1986,
Pratti i in. 1994). Uzyskany obraz różnic fazy dwóch obrazów zwany interferogramem jest
rezultatem skomplikowanego procesu przetwarzania cyfrowych, zapisów sygnałów radarowych SAR. Różnice fazy na interferogramie są wizualizowane w postaci sekwencji barwnych
zwanych prążkami interferometrycznymi (rys. 2.1, 5.2) i mogą być następnie przetwarzanie na
wartości wysokościowe. W przypadku satelitów serii ERS (European Remote-Sensing
Satellite) tj. ERS-1 i ERS-2 pełna sekwencja prążków interferometrycznych obrazuje pionową
zmianę powierzchni terenu o 2,58 cm (Coulson 1996).
_______________________________________________________________
107
Z. PERSKI - Ocena dynamiki osiadania terenu GZW metodą satelitarnej interferometrii ...
____________________________________________________________________________
Rys. 2.1 Geometria satelitarnej interferometrii radarowej: a) konfiguracja satelitów podczas kolejnych
obserwacji, b) sposób rejestracji osiadań w postaci różnicy faz sygnałów radarowych
(van der Kooij i in. 1996)
3. Badania interferometryczne obszaru Górnośląskiego Zagłębia Węglowego
Do badań osiadań terenu najlepiej nadje się, spośród istniejących na świecie systemów
SAR, system satelitów ERS ze względu na ich długi czas trwania misji (dostępne dane od 1992
roku), oraz dobrą stabilność orbit satelitów zapewniającą uzyskanie stosunkowo dużej liczby
tzw. par interferometrycznych. Ponadto, zasięg obrazowania satelitów ERS obejmuje obszar
100 x 100 kilometrów, co przy terenowych rozmiarach piksela ok. 20 x 20 m zapewnia
zobrazowanie całego obszaru GZW jednorazowo przy zachowaniu dużej rozdzielczości.
Kolejne przeloty satelity są wykonywane co 35 dni . Pozwala to na wykonywanie map osiadań
obejmujących wielokrotności tego przedziału czasowego tj. 70, 105, ...dni.
Wyjątkowo czytelne interferogramy uzyskuje się dla bezleśnych i zabudowanych obszarów Górnego Śląska, które spełniają wszystkie warunki do interferometrycznej interpretacji
osiadań górniczych (Perski 1999a). Interferogramy obszarów górniczych pokazują rzeczywis-
_______________________________________________________________
108
WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie
____________________________________________________________________________
ty, przestrzenny rozkład przyrostów osiadania, a rastrowy charakter danych zapewnia pełne
pokrycie obszaru pomiarami bez potrzeby interpolacji. Ze względu na wysoką rozdzielczość
danych i ich duży zasięg, monitoring interferometryczny umożliwia śledzenie dynamiki
osiadań górniczych zarówno w skali całego Górnośląskiego Zagłębia Węglowego jak i nad
polami górniczymi, dla pojedynczych ścian eksploatacyjnych (Perski i Jura 1999).
4. Dokładność pomiarów interferometrycznych
Dokładność interferometrycznych pomiarów osiadań jest uzależniona przede wszystkim
od czytelności i interpretowalności samego interferogramu (Perski 1999b), które to znów
zależą od szeregu czynników zewnętrznych, głównie pogodowych i klimatycznych. Na podstawie prowadzonych w Katedrze Geologii Podstawowej od dwóch lat badań można stwierdzić,
że interferogramy o bazie czasowej 35 lub 70 przedstawiają z reguły wystarczająco dobrą
jakość umożliwiającą śledzenie chwilowego stanu procesu osiadania. Stwierdzono również,
że dane interferometryczne dobrze korelują się z obserwacjami geodezyjnymi (Perski 1999a,
Perski i Jura 1999), w świetle których największe osiadania w jednostce czasu występują w
środkowej części dynamicznego skłonu tworzącej się niecki osiadań. Na interferogramach,
obszar ten odpowiada występowaniu zespołów koncentrycznych prążków interferometrycznych. Z dwudziestometrowej rozdzielczości danych InSAR wynika, że rejestrowalna różnica
fazy na tej długości wynosi 2,58 cm, a maksymalny, mierzalny przyrost nachylenia wynosi
1,29 mm/m Przeliczając tę wartość na średnie dobowe przyrosty nachyleń otrzymujemy: 0,036
mm/m/d dla cyklu obserwacji 35 dni oraz 0,018 mm/m/d dla cyklu obserwacji 70 dni.
W idealnych warunkach metodą InSAR można mierzyć przemieszczenia pionowe powierzchni wynoszące ok. 3-10 cm na dystansie 50 do 100 km (Massonnet 1997). Z prac porównawczych, prowadzonych w klimacie suchym, na uskoku St. Andreas, gdzie osiadania były mierzone również metodami geodezyjnymi i GPS, dokładność metody InSAR w wyznaczaniu
wielkości osiadań określono na +/- 3 mm do +/- 5 mm (Peltzer i in. 1996). Badania eksperymentalne dla obszaru klimatu umiarkowanego („Bonn Experiment” – Hartl i in. 1992) potwierdziły te wyniki. (Haynes i in. 1997), dla interferogramu o bazie czasowej wynoszącej
28 miesięcy, otrzymali błędy wyznaczenia przyrostów osiadań rzędu 2,7-10,7 mm. Z przeprowadzonych analiz porównawczych opracowań interferometrycznych z danymi geodezyjnymi
na obszarze GZW wynika, że wielkości błędów nie odbiegają od opisanych powyżej. Dla
testowanego obszaru lotniska Muchowiec otrzymano błędy wyznaczenia przyrostu osiadania od +/-1 do +/- 6 mm.
5. Interferometryczna charakterystyka dynamiki procesu osiadania terenu Górnośląskiego Zagłębia Węglowego
Dzięki dużemu zasięgowi zdjęć SAR możliwe było przeprowadzenie regionalnej analizy
stanu deformacji terenu obejmującej niemal cały obszar GZW (6 000 km2), w oparciu o dane
InSAR wykonano zestawienie rozmieszczenia i zasięgu obszarów obniżających się w okresie
04.10.92 – 08.11.92. W oparciu o identyfikację oraz interpretację prążków interferometrycznych wywołanych osiadaniem (rys. 5.1). Z analizy otrzymanego obrazu dynamiki wynika, że
w październiku 1992 na obszarze GZW ruchami powierzchni objętych było 143,15 km 2 co
stanowi ogółem ok. 8% sumarycznej powierzchni obszarów górniczych.
_______________________________________________________________
109
Z. PERSKI - Ocena dynamiki osiadania terenu GZW metodą satelitarnej interferometrii ...
____________________________________________________________________________
Rys. 5.1 Obszary, na których zarejestrowano przyrosty osiadań w ciągu 35 dni
w okresie 04.10.92-08.11.92
Szczegółowa analiza obrazów interferometrycznych pozwoliła stwierdzić, że obszar
występowania osiadań na interferogramach dobrze koreluje się z przebiegiem frontu ścianowego oraz umożliwia interpretację innych - „pozatechnologicznych” czynników wpływających
na rozwój osiadań. Obraz górniczych osiadań terenu na obszarze śródmieścia Katowic
i lotniska Muchowiec (Perski i Jura 1999) ujawnił, że przyrosty osiadania na dynamicznym
skłonie niecki osiadań widoczne były na interferogramach jako eliptyczna koncentracja
prążków interferometrycznych migrująca ku NW za przemieszczającym się frontem eksploatacji. Rozpoznanie to pozwoliło na interpretację wielkości opóźnienia pojawienia się największych wpływów eksploatacji na powierzchni (4-6 miesięcy), oraz na stwierdzenie wpływów
starych zrobów na obszarze lotniska Muchowiec.
Na obszarze KWK Makoszowy, wielościanowa i wielopokładowa eksploatacja z zawałem
stropu ujawniła się w postaci złożonego obrazu prążków interferometrycznych. Obraz ten,
pomimo stosunkowo słabej jakości spowodowanej intensywną wegetacją okazał się czytelny
dla interpretacji. Prowadzona eksploatacja w nachylonych pokładach południowego skłonu
kopuły Zabrza wywołała zjawisko dewiacji tworzącej się niecki osiadań w kierunku upadu
pokładu (Borecki 1980, Kwiatek 1997). Stwierdzono, że zjawisko to dobrze odzwierciedla się
w obrazie interferometrycznym przyrostów osiadań i pozwala na precyzyjną jego interpretację
(rys. 5.2).
_______________________________________________________________
110
WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie
____________________________________________________________________________
Rys. 5.2 Wpływ nachylenia pokładu na dewiację niecki osiadania w obrazie interferometrycznym
KWK Makoszowy
_______________________________________________________________
111
Z. PERSKI - Ocena dynamiki osiadania terenu GZW metodą satelitarnej interferometrii ...
____________________________________________________________________________
6. Wnioski
Interferogramy SAR stanowią całkowicie nowe źródło danych, które w bardzo precyzyjny
sposób przedstawia przestrzenną zmienność przebiegu procesu osiadania na dużym obszarze
i w tym samym czasie. Dzięki tym cechom obrazy InSAR stanowią doskonały materiał do
geologicznej interpretacji osiadań. Za ich pomocą można z dużą precyzją wyznaczać
rzeczywisty zasięg obszarów poddawanych obniżaniu, określać wielkość przyrostów obniżania, a pośrednio, także wyznaczać niektóre wskaźniki niecki osiadania na terenach zurbanizowanych i rolnych. Częstotliwość wykonywania zdjęć SAR sprawia, że metodą InSAR można
wykrywać dynamikę powierzchni terenu związaną z deformacjami nieustalonymi – w cyklach
35 i 70 dni oraz deformacjami ustalonymi i resztkowymi – w cyklach obserwacyjnych
dłuższych niż 365 dni.
Cyfrowy charakter wyników analiz InSAR sprawia, że mogą one być szybko i efektywnie
wykorzystywane w systemach informacji przestrzennej (GIS). Przeprowadzone testy
wykazały, że wyznaczenie wielkości przyrostów osiadania przy użyciu interferomertii jest
możliwe z subcentymetrową dokładnością, porównywalną z wynikami uzyskiwanymi za
pomocą niwelacji technicznej.
Zaprezentowane metody interfometryczne mogą znaleźć zastosowanie do:
1. Regionalnego monitoringu dynamiki powierzchni terenu, dla dużego obszaru
administracyjnego, np. województwa lub spółki węglowej. Skala ta umożliwia wyznaczenie
zasięgów obszarów podlegających osiadaniom i oszacować wzajemne relacje pomiędzy
skutkami eksploatacji na różnych głębokościach i w różnych kopalniach, wyznaczenie stref
występowania zwiększonych naprężeń rozciągających i ściskających w gruntach, zidentyfikowanie przypadków niebezpiecznego wzajemnego wpływu osiadań w różnych pokładach lub/i
polach eksploatacyjnych. Dane te mogą być wykorzystane do zmiany harmonogramu prac
inwestycyjnych na powierzchni terenu (np. budowa autostrad).
2. Lokalnych analiz charakteru procesu osiadania, dla konkretnego obszaru górniczego,
miasta lub gminy. Wówczas, w połączeniu z bazą danych na temat eksploatacji, oraz
na podstawie map geologicznych i wyników pomiarów geodezyjnych, można wyznaczyć
niektóre wskaźniki deformacji oraz precyzyjnie wyznaczyć rzeczywisty zasięg ruchów
pionowych powierzchni w czasie trwania eksploatacji, a na ich podstawie prognozować
wpływy eksploatacji na bezpieczeństwo obiektów.
Literatura
[1] Borecki M., (red.) 1980: Ochrona powierzchni przed szkodami górniczymi. Wyd. "Śląsk", (Praca
zbiorowa), 1-967.
[2] Coulson, S.N., 1996: SAR Interferometry with ERS. Earth Space Review, Vol. 5, No. 1, 9-6.
[3] Hartl Ph., Reich M., Thiel K.H., Xia Y., 1992: SAR-interferometry applying ERS-1 - some
preliminary test results. Proceedings of the First ERS-1 Symposium, Cannes, France, 219-222.
[4] Haynes M., Capes R., Lawrence G., Smith A., Shilston D., Nicholls G., 1997: Major Urban
Subsidence Mapped by Differential SAR Interferometry. Proceedings of the Third ERS Symposium,
Florence, Italy, http://florence97.ers-symposium.org/data/hanssen/index. html.
[5] Kooij M., van der, Halsema D., van Groenewoud W., Mets G.J., Overgaauw B., and Visser P., 1995:
SAR Land Subsidence Monitoring, Dutch Remote Sensing Board NRSP-2 95-13, 1-126.
[6] Kowalski A., 1999: Funkcja czasu do prognozowania nieustalonych deformacji powierzchni
spowodowanych eksploatacją frontem ścianowym z przerwami. Prace GIG, 30, 132-141.
[7] Kwiatek J., (red.) 1997: Ochrona obiektów budowlanych na terenach górniczych. Wyd GIG, (Praca
zbiorowa), 1-726.
_______________________________________________________________
112
WARSZTATY 2000 nt. Zagrożenia naturalne w górnictwie
____________________________________________________________________________
[8] Kwiatek J., 1999: Problemy ochrony obiektów budowlanych na terenach górnictwa podziemnego,
Konferencja: V dni miernictwa górniczego i ochrony terenów górniczych, Prace GIG, 30, 9-29.
[9] Massonnet D., 1997: Satelite Radar Interferometry, Scientific American no.2,
http://www.sciam.com/0297issue/0297massonnet.html.
[10] Peltzer G., Rosen P., Rogez F., Hudnut K., 1996: Postseismic rebound in fault step-owers caused by
pore fluid flow. Science 273, 1202-1204.
[11] Perski Z., 1999a: Osiadania terenu GZW pod wpływem eksploatacji podziemnej określane
za pomocą satelitarnej interferometrii radarowej (InSAR), Prz. Geol. 2, 171-174.
[12] Perski Z., 1999b: Zakres interpretowalnosci osiadań terenu za pomocą satelitarnej interferometrii
radarowej (InSAR), Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji v.9, 191-199.
[13] Perski Z, Jura D., 1999: ERS SAR Interferometry for Land Subsidence Detection in Coal Mining
Areas, Earth Observation Quarterly 63, 25-29.
[14] Pratti C., Rocca F., Monti Guarnieri A., Pasquali P., 1994: Report on ERS-1 SAR interferometric
techniques and applications. ESA report 10179/93/YT/I/SC 1-122.
[15] Sroka A., 1999: Ekwiwalencja pomiędzy prędkością eksploatacji a czasem trwania przerw w jej
prowadzeniu. Prace GIG, 30, 151-155.
[16] Zebker H.A., Goldstein R.M., 1986: Topographic Mapping From Interferometry Synthetic Aperture
Radar Observations. Journal of Geophysical Research, 91 (B5), 4993-4999.
Estimation of terrain subsidence dynamics in Upper Silesian Coal Basin
by the satellite radar interferometry
In this paper the possibilities of applications of satellite radar interferometry for estimation
of terrain subsidence dynamics in Upper Silesian Coal Basin have been presented. This method
uses the difference of the phase of backscattered radar signals of two SAR satellite images
(Synthetic Aperture Radar) and gives us possibility to take a measurement of land subsidence
on a strict determined huge area and a precision state in time range. Despite some limitations,
the high valuable InSAR data can become in future the basic, independent source of
information about surface dynamics, which can be useful in regional and also local scale.
_______________________________________________________________
113