Aktualności

Satelitarne obrazy radarowe wskazują, które tereny na Górnym Śląsku osiadają najszybciej

02-08-2021

Deformacje pionowe (po lewej) oraz poziome w kierunku wschód-zachód z obrazów satelitarnych dla terenu miasta Bytom
Instytut Geodezji i Geoinformatyki UPWr opracował system monitorowania deformacji powierzchni Ziemi z wykorzystaniem radarowych obserwacji satelitarnych wspomaganych naziemnymi stacjami GNSS (Globalnych Nawigacyjnych Systemów Satelitarnych) i reflektorami sygnałów satelitarnych. System został wdrożony z myślą o ciągłym monitoringu obszarów górniczych i pogórniczych na Górnym Śląsku celem ochrony budynków, infrastruktury oraz środowiska przyrodniczego.

Na obszarach Górnego Śląska – w regionie silnie dotkniętym ekstensywnym wydobyciem węgla – roczne osiadania powierzchni terenu spowodowane wydobyciem węgla mogą przekroczyć 1,5m. Tak duże wartości osiadań powodują problemy w infrastrukturze sieci uzbrojenia terenu, transporcie, czy też stanowią zagrożenie deformacji budynków i budowli. Dotychczasowe monitorowanie osiadań terenów z wykorzystaniem pomiarów naziemnych, takich jak niwelacja, było niezwykle uciążliwe i czasochłonne oraz nie pozwalało na pokrycie całego obszaru objętego wydobyciem. Naprzeciw problemom związanym z określaniem deformacjami terenu wychodzą radarowe obserwacje satelitarne oraz dedykowany satelitarno-naziemny system monitoringu procesów geodynamicznych opracowany przez pracowników IGiG UPWr. System wykorzystuje m.in. satelity Sentinel-1 z konstelacji satelitów Programu Copernicus prowadzonego przez Europejską Agencję Kosmiczną.


Schemat integracji danych satelitarnych na przykładzie Kopalni Marcel w Rybniku

System składa się z kilku etapów, a mianowicie przetwarzania danych satelitarnych, walidacji produktów, wyznaczania pól deformacji, przewidywania przyszłych przemieszczeń powierzchni, analizy skutków zmian powierzchni oraz infrastruktury górniczej oraz oddziaływania na społeczeństwo.

System był budowany wieloetapowo w ramach projektów EPOS-PL, EPOS-PL+ oraz projektu H2020 GATHERS. System Obserwacji Płyty Europejskiej w Polsce (EPOS-PL) został wpisany na ministerialną Polską Mapę Infrastruktury Badawczej jako jeden z 70 infrastruktur kluczowych dla rozwoju kraju. Po pomyślnym zakończeniu pierwszego etapu projektu EPOS-PL, naukowcy z UPWr zyskali możliwość budowy Centrum Infrastruktury Badawczej Danych Satelitarnych w ramach nowego projektu EPOS-PL+.

Fundament systemu monitoringu satelitarnego opiera się na integracji dwóch głównych technik monitorowania zmian powierzchni za pomocą pomiarów radarowych wykonywanych przez satelitarne sensory teledetekcyjne. Wykorzystane zostały klasyczne techniki różnicowe obrazów radarowych z syntetyczną aperturą (DInSAR) do wykrywania i pomiaru szybkich ruchów oraz zaawansowane metody oparte o permanentne rozpraszacze (PS/SBAS), aby precyzyjnie monitorować powolne ruchy w obszarze zainteresowania.


Reflektor sygnałów satelitarnych SAR zainstalowany przy Hałdzie Szarlota (po lewej) oraz antena stacji multi-GNSS: GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou zainstalowana w Katowicach (po prawej)

Dodatkowym celem w nowym projekcie EPOS-PL+ jest połączenie produktów InSAR z innymi dostępnymi typami danych geodezyjnych, takimi jak pomiary przemieszczeń wykonanymi za pomocą systemów GNSS: GPS, GLONASS, Galileo i BeiDou oraz numerycznymi modelami powierzchni terenu utworzonymi z wykorzystaniem technologii skaningu laserowego (LiDAR) z pokładów dronów. Zobrazowania SAR są dodatkowe wspierane poprzez reflektory satelitarnych sygnałów mikrofalowych zainstalowane na Górnym Śląsku przez pracowników UPWr. Otrzymane mapy deformacji wraz z informacjami zewnętrznymi są podstawą do predykcji deformacji z wykorzystaniem algorytmów uczenia maszynowego.

W Zabytkowej Kopalni Ignacy w Rybniku został zainstalowany odbiornik satelitarny multi-GNSS należący do IGiG UPWr. Wokół pobliskiej Hałdy Szarlota zostały założone punkty referencyjne GNSS oraz reflektory SAR do satelitarnej interferometrii radarowej. W Planetarium Śląskim w Chorzowie, Katowicach, Będzinie, Chełmie Śląskim został zainstalowany satelitarny system pomiarowy multi-GNSS, który prowadzi ciągłe pomiary rejestrując 20 obserwacji na sekundę ze wszystkich widocznych satelitów GNSS. Dane ze stacji przesyłane są w strumieniach na serwery UPWr, a następnie analizowane co 15 minut, dzięki czemu uzyskuje się ciągłe informacje o trójwymiarowych przemieszczeniach budynków i osiadaniach terenu, a także ewentualnych tąpnięciach, które mogą być analizowane z wykorzystaniem wysokoczęstotliwościowych obserwacji GNSS.


Skumulowane zmiany powierzchni terenu w 2017 roku: (a) przemieszczenia w kierunku wschód-zachód z DInSAR, (b) z modelu górniczego, (c) osiadanie pionowe z DInSAR, (d) z modelu górniczego dla terenu Bytomia

Opracowany przez IGiG UPWr naziemno-satelitarny system monitorowania obiektów infrastruktury i procesów geodynamicznych pozwala chronić zabytki i obiekty polskiego dziedzictwa kulturowego i przemysłowego (Będzin, Rybnik), budynki, budowle oraz infrastrukturę naziemną na terenach objętych bieżącą oraz zakończoną eksploatacją górniczą (Katowice, Chorzów, Bytom, Zabrze, Gliwice, Rybnik). Poziom zaawansowania wdrożeń oraz zintegrowanych badań geodynamicznych przyczynił się do przyznania w ramach Horyzontu 2020 środków w projekcie GATHERS, w których UPWr jest liderem w polsko-włosko-austriacko-holenderskim konsorcjum mającym na celu dalsze prace nad doskonaleniem metod monitorowania naziemnego i satelitarnego deformacji terenów i budynków oraz zapobiegania katastrofom o charakterze naturalnym i antropogenicznym spowodowanych przede wszystkim działalnością górniczą.

Więcej na temat systemu satelitarno-naziemnego do monitorowania deformacji terenów można znaleźć:
Na stronie projektu GATHERS: http://www.gathers.eu/
Na stronie projektu EPOS-PL+: https://epos-pl-plus.eu/

Oraz w publikacji:
Ilieva i in. (2019) Mining Deformation Life Cycle in the Light of InSAR and Deformation Models. Remote Sens. 2019, 11, 745. https://doi.org/10.3390/rs11070745

Ilieva M. i in. (2020) Combined Study of a Significant Mine Collapse Based on Seismological and Geodetic Data - 29 January 2019, Rudna Mine, Poland
Remote Sensing, Vol. 12 (10) No. 1570, Basel, Switzerland 2020, pp. 1-13, URL: https://doi.org/10.3390/rs12101570

Pawłuszek-Filipiak K., Borkowski A. (2020) Integration of DInSAR and SBAS Techniques to Determine Mining-Related Deformations Using Sentinel-1 Data: The Case Study of Rydułtowy Mine in Poland Remote Sensing, Vol. 12 (2) No. 242, Basel, Switzerland 2020, pp. 1-23

Pawłuszek-Filipiak K., Borkowski A. (2020) Monitoring mining-induced subsidence by integrating differential radar interferometry and persistent scatterer techniques
European Journal of Remote Sensing, Vol. online No. in print, United Kingdom, Florence, Italy 2020, pp. 1-14 URL: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/22797254.2020.1759455