INFRASTRUKTURA I EKOLOGIA TERENÓW WIEJSKICH INFRASTRUCTURE AND ECOLOGY OF RURAL AREAS Nr 2/II/2012, POLSKA AKADEMIA NAUK, Oddziaá w Krakowie, s. 29–38
Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi
Anna Szafarczyk
MOĩLIWOĝCI WYKORZYSTANIA
NAZIEMNEJ INTERFEROMETRII RADAROWEJ
W MONITORINGU OSUWISK
____________
APPLICABILITIES OF USING
GROUND RADAR INTERFEROMETRY
IN LANDSLIDE MONITORING
Streszczenie
W artykule przedstawiono przykáad wykorzystania technologii naziemnej interferometrii radarowej do monitoringu osuwiska poáoĪonego w Milówce (wo-jewództwo Ğląskie). Skrótowo przedstawiono przyczyny powstawania osuwisk oraz elementy rzeĨby osuwiska. Odniesiono siĊ do dotychczas stosowanych geo-dezyjnych technologii monitoringu osuwisk oraz przedstawiono charakterystykĊ zastosowanej technologii pomiarowej. Naziemna interferometria radarowa po-zwala wyznaczaü przemieszczenia z niespotykaną dotąd precyzją, w czasie rze-czywistym i bez potrzeby wstĊpu na monitorowany obiekt. MoĪliwoĞci zastoso-wania naziemnej interferometrii radarowej przetestowano wykonując kilkanaĞcie serii pomiarowych w ciągu dwóch dób. Na przykáadzie wykonanych pomiarów przemieszczeĔ moĪna stwierdziü, iĪ wykorzystanie naziemnej interferometrii rada-rowej pozwala na wyznaczenie wartoĞci przemieszczenia z dokáadnoĞcią milime-trową, przy jednoczesnym skróceniu czasu pomiaru, ograniczeniu skáadu wykwali-fikowanego zespoáu pomiarowego do jednej osoby i natychmiastowym uzyskaniu wartoĞci wystĊpujących przemieszczeĔ. Pozyskiwanie i analiza danych w czasie rzeczywistym stwarza potencjalne moĪliwoĞci ostrzegania o utracie statecznoĞci gruntu, co ma niewątpliwe znaczenie dla zapewnienia bezpieczeĔstwa mieszkaĔ-ców i ich domostw znajdujących siĊ na terenach osuwiskowych.
Summary
In the article there was described the example of using ground radar inter-ferometry technique for landslide’s monitoring. Monitored object is located in Milówka (Poland). Author described shortly the causes of landslide occurring and the geological elements of typical landslide. Reference was made to monitoring surveying techniques according to characterization of used technique. Ground ra-dar interferometry technique allows us to determine displacement of never before seen precision, in a real time and without the need to enter the monitored object. Possibilities of using ground radar interferometry has been tested by performing several measurement series in two days. For example, the displacement of measurements can be concluded that the use of ground radar interferometry allows to determine the displacement of a millimeter accuracy, while reducing the measurement time, limit the composition of the team qualified for the measurement of one person and get immediate occurring value of displacements. Acquisition and analysis of data in real time creates the potential for warning about the loss of soil stability, which is certainly important for the safety of residents and their homes were located in the landslide areas.
Key words: landslide monitoring, ground radar interferometry WSTĉP
Osuwisko jest jedną z form ruchów grawitacyjnych, powodujących w efekcie osuwania szybkie przemieszczenie siĊ mas skalnych zgodnie z siáami grawitacji. PrĊdkoĞü przemieszczenia jest stosunkowo zróĪnicowana i waha siĊ w granicach od jednego metra w przeciągu kilku minut, godzin, czy dni, do jed-nego metra na miesiąc czy rok. Osuwiska zaliczamy do powierzchniowych ru-chów masowych, które dodatkowo moĪna podzieliü na: odpadanie, obrywanie, osuwanie, zsuwy, speázywanie, osiadanie, zerwy, spáywy [Wójcik 2010]. Ele-menty rzeĨby osuwiska przedstawiono na rysunku 1.
Przyczyną czĊĞci wystĊpujących osuwisk jest bezpoĞrednie powiązanie z warunkami klimatycznymi, gdzie gáównym czynnikiem są opady atmosferycz-ne oraz wysycenie wodą roztopową. Inatmosferycz-ne osuwiska powstają na skutek procesów morfogenetycznych polegających na podcinaniu lub rozcinaniu stoku. W po-dobny sposób uaktywnienie osuwiska moĪe byü spowodowane przez obciąĪenie stoku przez budowĊ budynków, nasypów, przez wystĊpowanie obciąĪeĔ dyna-micznych związanych z pracą maszyn czy teĪ ruchem pojazdów mechanicznych. Warunkiem zaistnienia osuwisk jest duĪe nachylenie stoku oraz izoklinowa bu-dowa geologiczna. Opierając siĊ jedynie na obserwacji stoku i jego otoczenia niejednokrotnie moĪna z duĪym prawdopodobieĔstwem okreĞliü aktualnoĞü
gruntu w dolnych czĊĞciach skarpy, otwarte szczeliny w górnej czĊĞci skarpy, spĊkania i przemieszczenia obiektów budowlanych czy teĪ uschniĊta roĞlinnoĞü w wyniku zaburzonych stosunków wodnych [Caáa NBI 2009].
Rysunek 1. Elementy osuwiska (Ĩródáo: Wójcik) Figure 1. Landslide’s elements
Pierwsze próby zliczenia osuwisk na terenie kraju miaáy miejsce w latach 60 ubiegáego stulecia, które wykazaáy istnienie ponad 3000 osuwisk jedynie na samym obszarze karpackim. W kolejnym etapie rozpoznano ponad 20000 osu-wisk w Karpatach, gdzie wystĊpuje ponad 95% wszystkich osuosu-wisk w Polsce, a sam obszar stanowi jedynie 6% powierzchni kraju, co pokazuje intensywnoĞü zjawiska dla tego obszaru [Grabowski, Rączkowski PIG 2007].
Gwaátownie zachodzące zjawiska masowe jakimi są osuwiska, od samego początku niosáy za sobą katastrofalne w skutkach oddziaáywania dla ludzkoĞci, jak liczne ofiary czy powaĪne zniszczenia zabudowy oraz caáej infrastruktury zagospodarowanych czĊĞci stoków czy rejonów u ich podnóĪa. Pomimo zna-nych gáówzna-nych przyczyn i róĪnego typu systemów ostrzegania i zapobiegania ich wystĊpowaniu, niejednokrotnie dochodziáo w ubiegáym stuleciu do powaĪ-nych katastrof z duĪą liczbą ofiar.
KLASYCZNE METODY MONITORINGU
Obecnie dostĊpne i stosowane w praktyce geodezyjnej klasyczne metody monitoringu opierają siĊ na pomiarze sieci punktów kontrolowanych zastabili-zowanych na powierzchni osuwiska. Wyniki tak prowadzonego monitoringu mają charakter dyskretny, a ich pozyskanie wiąĪe siĊ z koniecznoĞcią wstĊpu na teren zagroĪony. Po wykonaniu pomiaru nastĊpuje opracowanie wyników, po-zwalające w dalszym etapie na porównanie wartoĞci wspóárzĊdnych punktów wyznaczonych w kolejnych seriach. Pozwala to na wyciągniĊcie wniosków co do wystĊpujących deformacji ale zawsze z pewnym opóĨnieniem, zaleĪnym od czasu potrzebnego na kameralne opracowanie wyników.
Alternatywą dla klasycznego monitoringu jest wykorzystanie nowej meto-dy pomiaru przemieszczeĔ, jaką jest naziemna interferometria radarowa.
NAZIEMNA INTERFEROMETRIA RADAROWA
Interferometria jest techniką radarową, pozwalającą na wyznaczenie war-toĞci przemieszczeĔ monitorowanego obiektu. Pomiar nastĊpuje poprzez porów-nanie fazy fali elektromagnetycznej powracającej po odbiciu siĊ od obiektu w minimum dwóch momentach czasowych. Podczas takiego pomiaru przyrząd (radar interferometryczny) zajmuje staáe poáoĪenie. Fala elektromagnetyczna odbijająca siĊ od obiektu w róĪnych momentach czasowych róĪni siĊ fazą jeĞli nastąpiáo przemieszczenie tego obiektu. Na podstawie zmiany fazy wyznaczane jest przemieszczenie obiektu z wzoru [IDS]
ϕ Δ π λ − = 4 d , (1) gdzie: d – przemieszczenie,
λ
– dáugoĞü fali elektromagnetycznej,ϕ
Δ
– zmiana fazy.Technologia interferometrii radarowej byáa pierwotnie stosowana z puáapu satelitarnego w celu wykrywania obniĪeĔ lub wypiĊtrzeĔ wystĊpujących na du-Īych powierzchniowo obszarach terenu. DziĊki tej technologii moĪliwe jest Ğle-dzenie ruchów lodowców, aktywnoĞci wulkanów czy teĪ zasiĊgu niecek obniĪe-niowych, powstaáych na skutek prowadzenia podziemnej eksploatacji górniczej.
wana w radarach instalowanych na powierzchni ziemi, co umoĪliwia wykonanie pomiaru z rozdzielczoĞcią poniĪej jednego metra [IDS 2007, 2008].
DokáadnoĞü wyznaczenia wartoĞci przemieszczenia z wykorzystaniem na-ziemnej interferometrii radarowej zaleĪna jest od intensywnoĞci powracającego sygnaáu. IntensywnoĞü okreĞlana jest parametrem SNR (signal to noise ratio) i wyraĪana jest w dB.
Maksymalna odlegáoĞü od obserwowanego obiektu wynosi 4 kilometry, przy czym w miarĊ zwiĊkszania odlegáoĞci dokáadnoĞü pomiaru maleje. NiĪsza dokáadnoĞü wystĊpuje równieĪ przy sáabej zdolnoĞci odbijania fal przez obser-wowany obiekt. MoĪna temu zaradziü poprzez instalowanie reflektorów odbija-jących w miejscach, których przemieszczenie powinno byü wyznaczone z naj-wiĊkszą precyzją. Sztuczne reflektory powinny byü równieĪ zamontowane w miejscach uznawanych za nieruchome w celu wprowadzania poprawek atmos-ferycznych, przy pomiarach o wysokiej precyzji. W takich przypadkach ewentu-alne przemieszczenia wykazane dla zamontowanych reflektorów uznaje siĊ za równe zeru, co automatycznie powoduje wprowadzenie redukcji do wszystkich pozostaáych, wyznaczonych przemieszczeĔ.
CHARAKTERYSTYKA BADANEGO OBIEKTU
Naturalne osuwisko objĊte monitoringiem z wykorzystaniem naziemnej interferometrii radarowej poáoĪone jest na terenie Karpat fliszowych w miejsco-woĞci Milówka (rys. 2).
Najnowsze odkucie mas koluwialnych nastąpiáo w sierpniu 2010 roku po dáugotrwaáych, obfitych opadach deszczu. Osuwisko zajmuje powierzchniĊ 11 ha, a jego rozpiĊtoĞü pionowa wynosi 117 metrów. W obrĊbie caáego osuwiska wystĊpują szczeliny, które Ğwiadczą o jego aktywnoĞci. Skarpa gáówna ma mak-symalną wysokoĞü 7 metrów,a pozostaáe, liczne skarpy wtórne w górnej, Ğrod-kowej i dolnej czĊĞci mają wysokoĞci od 0.5 do 11 metrów. Na terenie kolu-wium wystĊpują liczne spĊkania podáuĪne i poprzeczne gruntu o dáugoĞciach do 25 metrów. Czoáo osuwiska o wysokoĞci 15 metrów zeszáo do granicy potoku Salamonka i drogi asfaltowej w dolnej czĊĞci stoku, odcinając tym samym jedy-ny dojazd do gospodarstw poáoĪojedy-nych na wschód od osuwiska, w Kolonii Pru-sów. W wyniku uaktywnienia siĊ osuwiska uszkodzone zostaáy cztery budynki mieszkalne oraz piĊü gospodarczych, a ponadto nieprzejezdne staáy siĊ wszyst-kie drogi gruntowe stanowiące dojazd do gospodarstw poáoĪonych zarówno na zboczu osuwiska, jak i poza nim, po jego wschodniej stronie. Osuwisko, nadal aktywne stwarza zagroĪenie dla czterech kolejnych budynków, infrastruktury komunikacyjnej i linii przesyáowych [Kupka , Kozáowski 2011].
Rysunek 2. Osuwisko w Milówce (Ĩródáo: Kupka , Kozáowski 2011) Figure 2. Landslide in Milówka
POMIARY Z WYKORZYSTANIEM NAZIEMNEGO RADARU INTERFERO-METRYCZNEGO
Na stoku, po przeciwnej stronie osuwiska, na specjalnie do tego celu wy-budowanym betonowym postumencie, ustawiany jest radar interferometryczny, którego poáoĪenie odtwarzane jest w kolejnych seriach pomiarowych poprzez zastosowanie konstrukcji bĊdącej analogią do centrowania wymuszonego w pomiarach z wykorzystaniem klasycznego sprzĊtu geodezyjnego (rys. 3).
Rysunek 3. Radar IBIS L podczas pomiaru osuwiska w Milówce (Ĩródáo: opracowanie wáasne)
Figure 3. Radar IBIS L during landslide monitoring in Milówka
W dniach 20 i 21 paĨdziernika 2011 roku wykonano áącznie 10 serii po-miarowych z wykorzystaniem naziemnego radaru interferometrycznego IBIS L. KaĪdorazowym rezultatem pomiaru byáy mapy ilustrujące moc odbicia sygnaáu od poszczególnych fragmentów monitorowanej powierzchni (power map) (rys 4).
Rysunek 4. Mapa siáy odbicia sygnaáu w serii I i serii X. Osuwisko w Milówce. (Ĩródáo-opracowanie wáasne w programie IBIS DV)
Figure 4. Power map in Ist and Xth series. Landslide Milówka
Rysunek 5. Mapa przemieszczeĔ punktów osuwiska w Milówce uzyskana na podstawie dwóch pomiarów z wykorzystaniem radaru IBIS L
(Ĩródáo-opracowanie wáasne w programie IBIS DV)
Figure 5. Displacement map of landslide’s points in Milówka generated on the basis of two measurements using radar IBIS L
WNIOSKI
Mapy przedstawiane są w ukáadzie kartezjaĔskim, którego oĞ x jest zgodna z kierunkiem osi szyny, po której porusza siĊ radar, a oĞ y jest do niej prostopa-dáa w punkcie stanowiącym wyjĞciową pozycją radaru podczas wykonywania pomiaru. BezpoĞrednio w terenie uzyskano równieĪ mapy przemieszczeĔ dla obszaru caáego osuwiska wyznaczone wzglĊdem pomiaru w serii I. Na podsta-wie dwóch punktów uznanych za staáe, zastabilizowanych w formie reflektorów, poza osuwiskiem, przy pomocy dostĊpnego oprogramowania (IBIS DV) doko-nano korekty zmiennych warunków atmosferycznych, uzyskując ostatecznie mapĊ przemieszczeĔ wystĊpujących w ciągu 25 godzin (rys. 5). Dla obszaru caáego osuwiska zarejestrowano zmiany poáoĪenia nielicznych pikseli tereno-wych o wartoĞciach do 4 mm, a na pozostaáym obszarze stwierdzono jego sta-bilnoĞü. Pomiary wykonane w kolejnych seriach pozwolą na okreĞlenie wartoĞci przemieszczeĔ powierzchni osuwiska w dáuĪszym okresie czasu.
Technologia naziemnej interferometrii radarowej pozwala na wykonanie pomiaru w sposób zdalny oraz uzyskanie wartoĞci wystĊpujących przemieszczeĔ w czasie rzeczywistym z dokáadnoĞcią milimetrową.
Pomiar, w wyniku którego uzyskuje siĊ mapĊ przemieszczeĔ dla omawia-nego, 11 hektarowego osuwiska, jest wykonywany przez kilkanaĞcie minut, co w porównaniu z technologiami klasycznymi jest milowym krokiem naprzód w ekonomice pomiarów. Nowatorskim rozwiązaniem jest równieĪ uzyskanie obrazu przemieszczeĔ w formie pikseli, których barwa oznacza daną wartoĞü przemieszczenia. Piksele pokrywają caáy monitorowany teren, co eliminuje nie-doskonaáoĞci klasycznych metod, których wyniki odnoszą siĊ do konkretnych, wybranych i zastabilizowanych punktów.
Obserwacje prowadzone przy wykorzystaniu radaru interferometrycznego wykonywane są bezobsáugowo. Wymagane jest jedynie odpowiednie skonfigu-rowanie instrumentu przed rozpoczĊciem pomiarów.
Ze wzglĊdu na swoje walory, technologia naziemnej interferometrii rada-rowej z pewnoĞcią powinna znaleĨü swoje zastosowanie nie tylko w monitorin-gu powolnych przemieszczeĔ wystĊpujących na terenach osuwisk ale równieĪ róĪnego rodzaju obiektów budowlanych o szczególnym znaczeniu, takich jak zapory wodne, skarpy drogowe, obwaáowania itp.
BIBLIOGRAFIA
Caáa M., Osuwiska w Polsce i na Ğwiecie NBI, Nowoczesne Budownictwo InĪynieryjne, Maj-Czerwiec, 2009
Grabowski D., Rączkowski W., GeozagroĪenia w Polsce – osuwiska, PaĔstwowy Instytut Geologiczny, Kraków, 2007
IDS Ingegneria dei Sistemi S.p.A.: IBIS-S system. User Manual. Pisa, 2007, 34ss. IDS Ingegneria dei Sistemi S.p.A.: IBIS-L Controller. User Manual. Pisa, 2008, 50ss.
Kupka D., Kozáowski S., Karta dokumentacyjna osuwiska. Dokument niepublikowany. Milówka, Data wypeánienia 10.05.2011, 8ss.
Szafarczyk A., Kwartnik-Pruc A. The concept of an integrated monitoring system for surface mass
dislocations using terrestial radar interferometry. Geomatics and environmental
engi-neering. Cracow, 2010, 173 str.
Wójcik A., Kartografia geologiczna osuwisk, PaĔstwowy Instytut Geologiczny, 2010
Praca naukowa finansowana ze Ğrodków budĪetowych na naukĊ w latach 2010-2013 jako projekt badawczy NN524 465839
Dr inĪ. Anna Szafarczyk szafarcz@agh.edu.pl Katedra Geodezji InĪynieryjnej i Budownictwa Wydziaá Geodezji Górniczej i InĪynierii ĝrodowiska Akademia Górniczo-Hutnicza Al. A. Mickiewicza 30 30-059 Kraków tel. 012 617 22 56
