Dynamika zmian powierzchni terenu na Górnym Śląsku w okresie 10.07–25.08.2007 r. na podstawie danych interferometrycznych z satelity ALOS

Dynamika zmian powierzchni terenu na Górnym Œl¹sku w okresie 10.07–25.08.2007 r.

na podstawie danych interferometrycznych z satelity ALOS

Magdalena Czarnogórska

, Marek Graniczny

, Zbigniew Kowalski

, Urs Wegmüller

Najnowsze satelitarne dane interferometryczne z japoñ-skiego satelity ALOS (Advanced Land Observing Satellite) obejmuj¹ce rejon Górnego Œl¹ska zosta³y otrzymane dziê-ki uczestnictwu Pañstwowego Instytutu Geologicznego w miêdzynarodowym konsorcjum Terrafirma (Graniczny i in., 2005). W ramach drugiego etapu tego projektu pozy-skano bazê danych, funkcjonuj¹c¹ pod nazw¹ Rybnik--Ostrawa, która obejmuje obszar Polski i Czech pomiêdzy Czêstochow¹ a rejonem Ostrawy-Karwiny (ryc. 1).

Zgod-nie z ustaleniami konsorcjum dane interferome-tryczne zosta³y przetworzone w szwajcarskiej fir-mie Gamma Remote Sensing, a ich interpretacja zosta³a powierzona Pañstwowemu Instytutowi Geologicznemu.

W ramach poprzednich etapów dzia³alnoœci konsorcjum Terrafirma dane interferometryczne PSI (Persistent Scatterer Interferometry) z Górne-go Œl¹ska pochodzi³y z satelitów operuj¹cych w zakresie mikrofal, takich jak ERS-1, ERS-2 i ENVISAT. Tym razem po raz pierwszy wykorzy-stano dane z satelity ALOS.

Najwiêkszy obecnie satelita na œwiecie — ALOS, nazywany równie¿ Daichi, zosta³ umieszczony na orbicie 24.01.2006 r. Pierwszy rok funkcjonowania satelity by³ praktycznie poœwiêcony kalibracji i ocenie wiarygodnoœci pozyskiwanych danych. Za³o¿ono, ¿e satelita ma dostar-czaæ niedrogie dane doskona³ej jakoœci, które mog¹ byæ nastêpnie wykorzystane do sporz¹dzania map topograficz-nych, monitoringu katastrof przyrodniczych oraz zmian klimatycznych. W pewnym sensie ALOS ma byæ równie¿

524

Przegl¹d Geologiczny, vol. 56, nr 7, 2008

1

Pañstwowy Instytut Geologiczny, ul. Rakowiecka 4, 00-975 Warszawa; magdalena.czarnogorska@pgi.gov.pl, marek.graniczny@ pgi.gov.pl, zbigniew.kowalski@pgi.gov.pl

2

Gamma Remote Sensing, Worbstrasse 225, CH-3073 Gümligen, Switzerland; wegmuller@gamma-rs.ch M. Czarnogórska M. Graniczny Z. Kowalski U. Wegmüller

nastêpc¹ serii amerykañskich satelitów z serii Landsat. Na podstawie 5-letniego porozumienia, zawartego pomiêdzy Japoñsk¹ Agencj¹ Kosmiczn¹ (JAXA) a rz¹dowymi agen-dami naukowymi Australii, Nowej Zelandii, Papui Nowej Gwinei i Wyspami Po³udniowego Pacyfiku, g³ównym celem satelity ALOS jest:

‘dostarczenie informacji kartograficznych dla Japo-nii oraz innych krajów Azji i Pacyfiku;

‘zbieranie regionalnych obserwacji na temat zrówno-wa¿onego rozwoju (harmonizacja pomiêdzy warun-kami œrodowiskowymi a rozwojem przemys³u); ‘prowadzenie monitoringu katastrof w skali

œwiato-wej;

‘prowadzenie monitoringu zasobów naturalnych; ‘rozwijanie technologii, w kontekœcie przysz³ych

systemów satelitarnych.

Satelita ALOS zawiera trzy podstawowe systemy s³u¿¹ce obserwacji Ziemi. Pierwszy z nich, pod nazw¹ PRISM (Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping), jest wyposa¿ony w trzy teleskopy skiero-wane do przodu i do ty³u, które umo¿liwiaj¹ zobrazowanie w zakresie widma widzialnego 0,52–0,77 µm przy zacho-waniu zdolnoœci rozdzielczej na powierzchni Ziemi 2,5 m. System ten umo¿liwia tworzenie precyzyjnego modelu cyfrowego terenu (DEM), adekwatnego do map w skali 1 : 25 000.

Drugi system, AVNIR-2 (Advanced Visible and Near Infrared Radiometer type 2), obejmuje wielospektralne urz¹dzenie obrazuj¹ce CCD (Charge Coupled Device) operuj¹ce w trzech zakresach widma widzialnego (niebie-ski, zielony i czerwony) oraz w bliskiej podczerwieni. Sys-tem gwarantuje zdolnoœæ rozdzielcz¹ na powierzchni terenu równ¹ 10 m. Przyjêto za³o¿enie, ¿e dane systemu (porównywane do danych pochodz¹cych z satelitów Land-sat) maj¹ byæ pomocne w opracowywaniu map u¿ytkowa-nia terenu oraz w monitorowaniu œrodowiska naturalnego, w³¹czaj¹c katastrofy przyrodnicze.

Trzeci system, PALSAR (Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar), umo¿liwiaj¹cy zobrazowanie w zakresie aktywnych mikrofal (radar), jest najbardziej istotny z punktu widzenia autorów niniejszego artyku³u. Systemy radarowe umo¿liwiaj¹ pozyskanie informacji nie-zale¿nie od warunków pogodowych oraz pory doby. Ponadto system PALSAR umo¿liwia pozyskanie danych z wielu wariantów zdolnoœci rozdzielczej (10–100 m) oraz polaryzacji (poziomej i pionowej).

Podstawow¹ cech¹ odró¿niaj¹c¹ satelitê ALOS PALSAR od satelitów ERS i ENVISAT jest wiêksza czê-stotliwoœæ L band (1,27 GHz), odpowiadaj¹ca d³ugoœci fali 23,6 cm, w stosunku do C band, która odpowiada d³ugoœci fali 5,6 cm. Ró¿nica ta ma podstawowe znaczenie w okre-œlaniu ró¿nic przemieszczeñ terenu metod¹ interferome-tryczn¹. Ponadto pasmo L pozwala na lepsz¹ koherencjê w d³u¿szych bazach czasowych i mniejsz¹ dekorelacjê wskutek wegetacji. Interferogramy s¹ znacznie czytelniej-sze, maj¹ jednak mniejsz¹ dok³adnoœæ i mniejsz¹ czu³oœæ w wykrywaniu niewielkich przemieszczeñ.

Tymczasem nale¿y z przykroœci¹ odnotowaæ pewne ograniczenia dostêpu i opóŸnienia w dostarczaniu informacji z satelity ALOS dla obszaru Europy, poniewa¿ z oczywi-stych wzglêdów (wzmiankowanych uprzednio) priorytet ma Azja.

Zbiór danych ALOS PALSAR z Górnoœl¹skiego Za-g³êbia Wêglowego obejmuje dwa tryby pozyskiwania danych: FBS (Fine Beam Single) i FBD (Fine Beam Double). Tryb pierwszy, o szerokoœci pasma impulsu 28 MHz, jest u¿ywany do przygotowania obrazu o polary-zacji H-H (poziom-poziom). W drugim wypadku w tym samym czasie s¹ otrzymywane obrazy o polaryzacji H-H i H-V (poziom-pion), ka¿dy z nich o szerokoœci pasma impulsu o po³owê mniejszej, tj. 14 MHz. Dlatego te¿ obra-zy spolaryzowane H-H w trybie FBD maj¹ dwa raobra-zy ni¿sz¹ rozdzielczoœæ ni¿ w wypadku FBS.

Dostêpne obrazy zosta³y przetworzone do formatu Single Look Complex. Przeprowadzono ich rejestracjê w projekcji ukoœnej slant-range. Sprowadzenie danych interferometrycznych PALSAR do pojedynczego obrazu wymaga³o zastosowania metody interferometrii ró¿nico-wej z dwóch nalotów satelitarnych (Wegmüller & Strozzi, 1998). Jako referencyjne dane wysokoœciowe wykorzysta-no SRTM 3" DEM.

W trakcie przetwarzania danych za³o¿ono szybkie przemieszczenia powierzchni terenu (osiadania górnicze lub aktywnoœæ osuwiskow¹). Wyseparowano zlokalizowa-ny sygna³ deformacji oraz b³êdy wynikaj¹ce z dystorsji atmosferycznej i odleg³oœci bazowej, opieraj¹c siê na ich ró¿nej rozdzielczoœci przestrzennej. W metodyce przetwa-rzania zobrazowañ wykorzystano po³¹czenie trybów FBS i FBD (Werner i in., 2007).

525

Przegl¹d Geologiczny, vol. 56, nr 7, 2008

P O L _S

K A

C Z E C H Y

obszar badawczy

obszar przedstawiony na ryc. 2 obszar przedstawiony na ryc. 3

Opole Czêstochowa Gliwice Katowice Bytom Rybnik Karwina Ostrawa Bielsko-Bia³a 0 10 20 40km

526

Przegl¹d Geologiczny, vol. 56, nr 7, 2008

kopalnie czynne ruchy zamkniête kopalni czynnych kopalnie zamkniête

wartoœci osiadania (10.07–25.08.2007 r.) 0 20 cm Obszary górnicze: (stan na 2005 r.) 50 0 0 N° ' " 50 10 0 N° ' " 50 20 0 N° ' " 18 20 0 E° ' " 18 40 0 E° ' " 19 00 0 E° ' " 0 3 6 12km

izolinie przewidywanych osiadañ terenu – ciêcie izolinii co 1 m (Dubaj-Nawrot, 2005)

50 15 0 N° ' " 18 55 0 E° ' " 19 0 0 E° ' " 19 5 0 E° ' " 0 1 2km 1km 2 3

Ró¿nica czasowa dwóch zobrazowañ omawianych w niniejszym artykule wynosi³a 46 dni (10.07–25.08.2007 r.) mo¿na wiêc powiedzieæ, ¿e prezentowany materia³ przed-stawia aktualny stan dynamiki powierzchni terenu na Gór-nym Œl¹sku.

Dotychczasowe doœwiadczenia wykaza³y, ¿e interfero-gramami ró¿nicowymi mo¿na rejestrowaæ osiadania powodowane wydobyciem wêgla kamiennego. Jednak¿e dane interferometryczne z pasma C stosowanego g³ównie do tej pory (satelity ERS czy ENVISAT) umo¿liwia³y œle-dzenie powolnych, niewielkich deformacji w skali od mili-metrów do kilku centymili-metrów, w wypadku analizy PSI. Dane te, jakkolwiek niezwykle interesuj¹ce, ze zrozu-mia³ych wzglêdów by³y dotychczas przedmiotem niewiel-kiego zainteresowania przedstawicieli górnictwa wêgla kamiennego, którzy na podstawie pomiarów w³asnych s³u¿b geodezyjnych rejestrowali ró¿nice siêgaj¹ce decy-metrów czy nawet decy-metrów.

Niemniej jednak by³y przedsiêwziêcia wykorzystuj¹ce tê technikê w okreœlaniu geozagro¿eñ, jak chocia¿by pro-jekt analizy danych InSAR zrealizowany dla marsza³ka województwa œl¹skiego w 2000 r. i wiele opracowañ dla LGOM wykonanych przez Akademiê Górniczo-Hutnicz¹. W górnictwie wêglowym interferometria zosta³a u¿yta praktycznie np. do analizy autostrady A-4 (Krawczyk i in., 2007).

Deformacje terenu powstaj¹ce jako skutek eksploatacji podziemnej mo¿na podzieliæ na nieci¹g³e i ci¹g³e (Dubaj--Nawrot, 2005). Deformacje ci¹g³e wystêpuj¹ w formie ³agodnych niecek osiadania o zasiêgu wykraczaj¹cym poza kontur eksploatacji. Na powierzchni nie dochodzi do wyraŸ-nego naruszenia spoistoœci ska³ lub gruntów. Deformacje ci¹g³e okreœla siê, podaj¹c sk³adowe przemieszczeñ punk-tów powierzchni, pionowe (obni¿enia) i poziome oraz pochodne tych przemieszczeñ w formie nachyleñ i krzy-wizn terenu, odkszta³ceñ poziomych i pionowych. Podsta-wowe wskaŸniki przemieszczeñ to: maksymalna wielkoœæ osiadañ, nachylenie terenu, odkszta³cenie w³aœciwe pozio-me oraz krzywizna terenu lub jej promieñ. Na wiêkszych g³êbokoœciach eksploatacji deformacje ci¹g³e powierzchni staj¹ siê bardziej regularne, ale równie¿ przestrzennie roz-leglejsze. Niecki osiadania s¹ mo¿liwe do prognozowania i podaje siê ich wartoœci œrednie.

Nieci¹g³e deformacje terenu dziel¹ siê na powierzch-niowe i lipowierzch-niowe. Nieci¹g³e deformacje powierzchpowierzch-niowe powstaj¹ wskutek przemieszczeñ przypowierzchniowych elementów górotworu do pustek, które utworzy³y siê po wczeœniejszych wyrobiskach górniczych lub gdy eksplo-atacja by³a prowadzona na ma³ej g³êbokoœci. Wystêpuj¹ one zasadniczo nad konturem eksploatacji. Deformacje powierzchniowe wystêpuj¹ zwykle w formie zapadlisk jako lokalne obni¿enie terenu. Zapadliska przybieraj¹ naj-czêœciej formê lejów sto¿kowych, mog¹ mieæ tak¿e formê otworów cylindrycznych lub nieregularnych zapadlisk prostopad³oœciennych. Nieci¹g³e deformacje liniowe

towarzysz¹ przede wszystkim obni¿eniom terenu w rejonie pól p³ytkiej eksploatacji górniczej nad szybko postê-puj¹cym frontem robót górniczych oraz w rejonach wychodni uskoków tektonicznych lub wychodni pok³adów nachylonych naruszonych robotami górniczymi. Deforma-cje nieci¹g³e powstaj¹ na ogó³ w sposób gwa³towny i s¹ praktycznie niemo¿liwe do przewidzenia.

Analizuj¹c bazê danych ALOS, z ³atwoœci¹ mo¿na zauwa¿yæ charakterystyczne owalne pr¹¿ki interferome-tryczne (fringes) ró¿ni¹ce siê wielkoœci¹ i iloœci¹ pierœcie-ni. Wskazuj¹ one na przemieszczenia, które w skrajnych wypadkach siêgaj¹ 20 cm w trakcie 46 dni! Co ciekawsze, pr¹¿ki wystêpuj¹ przede wszystkim na obszarach górni-czych kopalñ wêgla kamiennego, tam gdzie prowadzona jest bie¿¹ca eksploatacja (ryc. 2). Niezwykle interesuj¹co wygl¹da równie¿ porównanie danych interferometrycz-nych z danymi przewidywainterferometrycz-nych osiadañ powierzchni tere-nu zawartymi w atlasie geologiczno-in¿ynierskim aglomeracji katowickiej (Dubaj-Nawrot, 2005). Widaæ wyraŸnie, ¿e w znacznym stopniu izolinie przewidywa-nych osiadañ oraz pr¹¿ki interferometryczne s¹ ze sob¹ zbie¿ne (ryc. 3). Analiza danych powinna byæ kontynu-owana w skali szczegó³owej w œcis³ym porozumieniu z przedstawicielami kopalñ, spó³ek wêglowych oraz w³adzami samorz¹dowymi.

Na obecnym etapie mo¿na jednak stwierdziæ, ¿e dane ALOS s¹ doskona³ym uzupe³nieniem informacji górni-czo-geodezyjnych na temat przemieszczeñ terenu. Jako stosunkowo tani i ³atwo dostêpny produkt, w porównaniu z metodami tradycyjnymi, nale¿y je bezwzglêdnie wyko-rzystaæ do bie¿¹cego monitoringu obszarów górniczych.

Literatura

DUBAJ-NAWROT J. (red.) 2005 — Baza danych geologiczno-in¿y-nierskich wraz z opracowaniem atlasu geologiczno-in¿ynierskiego aglomeracji katowickiej. CAG Pañstwowy Instytut Geologiczny, Warszawa.

GRANICZNY M., KOWALSKI Z., JURECZKA J. & CZARNO-GÓRSKA M. 2005 — Terrafirma project — monitoring of subsidence of north-eastern part of the Upper Silesian Coal Basin. [In:] Procedings of the conference “Mass movement hazard in various environments” October 20–21, 2005, Kraków, Poland. Pol. Geol. Inst. Special Pap., 20: 59–63.

KRAWCZYK A., PERSKI Z. & HANSSEN R. 2007 — Application of ASAR interferometry for Motorway Deformation Monitoring [In:] Lacoste H. & Ouwehand L. (eds.) Proceedings of the Envisat Sympo-sium 2007, 23–27 April 2007, Montreux, Switzerland. ESA

Communication Production Office, ESTEC, Noordwijk (ESA SP-636, July 2007).

WEGMÜLLER U. & STROZZI T. 1998 — Characterization of dif-ferential interferometry approaches. [In:] EUSAR’98, 25–27 May, Frie-drichshafen, Germany. VDE-Verlag, Berlin–Offenbach: 237–240. WERNER C., WEGMÜLLER U., STROZZI T., WIESMANN A. & SANTORO M. 2007 — PALSAR Multi-Mode Interferometric Pro-cessing. [In:] Proceedings of the First Joint PI Symposium of ALOS data nodes for ALOS Science Program, 19–23 November 2007, Kyoto, Japan.

Praca wp³ynê³a do redakcji 25.04.2008 r. Po recenzji akceptowano do druku 20.05.2008 r.

527

Przegl¹d Geologiczny, vol. 56, nr 7, 2008

¬

Ryc. 2. Mapa deformacji zarejestrowanych w okresie 10.07–25.08.2007 na tle obszarów górniczych GZW