WARSZTATY 2006 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie

WARSZTATY 2006 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Mat. Symp. str. 339 352 Edward POPIOŁEK*, Henryk MARCAK**, Artur KRAWCZYK* * Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska, Kraków ** Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, Kraków Możliwości wykorzystania satelitarnej interferometrii radarowej InSAR w monitorowaniu zagrożeń górniczych Streszczenie W pracy przedstawiono możliwości wykorzystania satelitarnego radarowego skanowania terenu metodą InSAR do ciągłego monitorowania zmian terenu wywołanych podziemną eksploatacją górniczą złóż. Wykazano, że możliwe jest m.in. wyznaczanie okresowych obniżeń terenu, rejonów aktualnego zagrożenia budowli, a także weryfikowanie prognoz deformacji powierzchni terenu. Podkreślono możliwość monitoringu obniżeń powierzchni terenu bez konieczności zakładania sieci geodezyjnej. Wykazano istnienie korelacji pomiędzy położeniem epicentrum wstrząsów górniczych, a zmianami w strukturze obniżeń terenu. 1. Wstęp Celem niniejszej publikacji jest przedstawienie wyników badań nad możliwościami zastosowania nowej metody monitoringu zmian terenu, jaką niewątpliwie jest satelitarna interferometria radarowa, do monitoringu powierzchni terenu w rejonach oddziaływania podziemnej eksploatacji złóż rud miedzi. Obowiązek obserwacji skutków działalności górniczej wynika bezpośrednio z Prawa Geologicznego i Górniczego oraz wymogów Ustawy o Ochronie Środowiska. Jednym z najważniejszych ujemnych wpływów górniczych są deformacje powierzchni terenu, stanowiące bezpośrednie zagrożenie dla obiektów budowlanych i inżynierskich, a także dla użytkowania terenu. Dynamiczny rozwój technik zdalnego pozyskiwania informacji o terenie doprowadził do opracowania i wdrożenia dla celów cywilnych, satelitarnego obrazowania terenu, realizowanego przez specjalne satelity w sposób umożliwiający skanowanie powierzchni ziemi w odstępach jednomiesięcznych. Pozyskanie informacji z obrazów radarowych terenu polega na przetwarzaniu różnic fazowych dwóch obrazów, w wyniku czego uzyskuje się z nich jeden obraz interferometryczny, który umożliwia badanie zmian wysokościowych powierzchni terenu w okresach pomiędzy przelotami satelity (metoda InSAR). Obok badania i kontroli klasycznych, ciągłych deformacji powierzchni terenu w postaci niecek obniżeniowych, pojawiają się również dalsze nowe możliwości wykorzystania metody, np. przy monitoringu stawów osadowych. Są to szczególnie ważne aspekty, gdyż wiążą się bezpośrednio z wymogami zapewnienia przez zakłady górnicze bezpieczeństwa powszechnego. Podstawowymi zaletami interferometrii radarowej są: możliwość obserwowania zmian powierzchniowych terenu bez konieczności zakładania kosztownej sieci punktów oraz możliwość 339

E. POPIOŁEK, H. MARCAK, A. KRAWCZYK Możliwości wykorzystania interferometrii częstego pozyskiwania informacji o obniżeniach terenu a także sięganie po informacje o skutkach eksploatacji praktycznie od 1992 r. (Massonnet i in. 1998). Można twierdzić, że interferometria radarowa eliminuje podstawowe wady metod geodezyjnych, umożliwia ponadto ograniczanie kosztownych sieci geodezyjnych. 2. Metodyka badawcza Satelitarna interferometria radarowa (InSAR) jest nowoczesną techniką teledetekcyjną, służącą pozyskiwaniu informacji o powierzchni Ziemi w ściśle określonym przedziale czasowym, na obszarze dziesiątek kilometrów kwadratowych jednocześnie. Metoda ta wykorzystuje zdjęcia SAR (Synthetic Aparature Radar radiolokator obrazowy z anteną syntetyczną) uzyskiwane podczas powtarzalnych przelotów satelity (np. European Remote Sensing Satelite ERS-1, ERS-2 oraz Envisat) nad tym samym obszarem powierzchni Ziemi. Wykonywanie radarogramów przez satelitę polega na rejestracji, przy użyciu anteny SAR (ASAR Envisat), odbitej od powierzchni terenu fali radarowej. W trakcie rejestracji zapisywane są informacje o odbiciu fali radarowej (inaczej stopnia rozpraszania fali) oraz o jej fazie w momencie dotarcia do odbiornika. Uzyskuje się tym samym informacje o wartościach względnych rzędnej powierzchni terenu lub jej zmianach w czasie. W dziedzinie ochrony terenów górniczych istotną własnością radarogramów jest informacja o różnicy faz pomiędzy falą emitowaną a odbitą w różnym czasie od tego samego obszaru. Posiadając dwa takie radarogramy można określić wartości faz, o jakie różnią się ich sygnały, otrzymując w efekcie interferogram (rys. 2.1). Rys. 2.1. Fragment interferogramu z prążkami interferometrycznymi obrazującymi lokalną nieckę obniżeniową Fig. 2.1. Part of the interferogram with interferometric fringes of subsidence trough Interferogram stanowi zatem obraz różnic faz fal radarowych pochodzących z dwóch obrazów SAR (tzw. master image i slave image). Różnice fazy przedstawia się standardowo za pomocą odpowiedniej skali barw, gdzie pełna sekwencja kolorów odpowiada zmianie fazy sygnału radarowego o 360 (Atlantis 1997). Obserwowana na interferogramie zmiana fazy o pełny cykl (360 ) odpowiada połowie długości fali sygnału radarowego. W przypadku satelitów ERS-1 i ERS-2 długość fali wykorzystywanej przez urządzenie SAR wynosi 5,6 cm, czyli pełna sekwencja prążków interferometrycznych (zmiana fazy o 2 ) przedstawia przemieszczenie powierzchni terenu o 2,8 cm w kierunku promienia detekcyjnego. Ponieważ jednak skanowanie odbywa się pod kątem 23 (rys. 2.2), toteż przy redukcji zmian wysokości do normalnej w obszarze wykonanego radarogramu, kolejne paski interferencyjne występują w miejscach różnicy obniżeń terenu wynoszących ok. 2,5 cm. 340

WARSZTATY 2006 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie SAR v Kierunek lotu 23 h ok. 4,2 km ok. 100 km S (swath) antenna footpint Rys. 2.2. Geometria sygnału radarowego Fig. 2.2. Radar signal geometry Zasadniczo do opracowania interferogramu nadają się obrazy radarowe wykazujące wzajemną koherencję o odpowiedniej wartości. Warunek ten pośrednio może stanowić przyczyny występowania niektórych trudności w praktycznym stosowaniu metody. Koherencja jest to powierzchnia jednakowej fazy (ekwifaza). Przetwarzanie dwóch obrazów SAR pozwala na określenie różnic spektralnych sygnału (fazy i natężenia) dla poszczególnych pikseli interferogramu. Wartość koherencji wskazuje na zmiany, jakie dokonały się pomiędzy wykonaniem kolejnych zobrazowań, a obszary o słabej koherencji (ciemne) wyznaczają miejsca, w których pierwotna faza sygnału została zmieniona przez czynniki zewnętrzne. Na wartość koherencji największy wpływ mają następujące czynniki (Pratti i in. 1994): odległość bazowa różnica pozycji satelity w odpowiadających sobie kolejnych nalotach (Reigber i in. 1996), wielkość szumów sygnału radarowego i zmiany fazy związane z aparaturą pomiarową, fizyczne zmiany środowiska, jakie zaszły pomiędzy kolejnymi zobrazowaniami SAR. Dekoherencja (utrata koherencji) jest w dużym stopniu uzależniona również od czasu, jaki upłynął pomiędzy wykonaniem kolejnych zobrazowań (Perski 1998). 3. Wyznaczanie okresowych niecek obniżeniowych Ponieważ interferogram jest jedynie obrazem zmian zachodzących na danym terenie, zatem nie są na nim widoczne żadne szczegóły terenowe. Nie jest więc możliwe bezpośrednie dopasowanie obrazu interferometrycznego i skalibrowanej mapy topograficznej. Wykorzystując jednak fakt, że interferogram powstaje na podstawie radarogramów, istnieje możliwość 341

E. POPIOŁEK, H. MARCAK, A. KRAWCZYK Możliwości wykorzystania interferometrii kalibracji interferogramu po uprzednim dopasowaniu obrazu radarowego SAR. Gwarantuje to jednoznaczne pikselowe pokrycie terenu jaki obejmują: radarogram i interferogram. Kalibracja radarogramu odbywała się w identyczny sposób jak dopasowanie obrazu rastrowego mapy topograficznej do układu współrzędnych, przy czym mapą odniesienia jest w tym przypadku mapa topograficzna. Z powyższego powodu pierwszym etapem kalibracji interferogramu jest wpasowanie w układ współrzędnych mapy topograficznej w postaci pliku rastrowego. Kalibracja ta odbywała się w programie Microstation. Po wstępnym połączeniu obrazu rastrowego mapy topograficznej z cyfrową mapą powierzchni, dalsze dopasowanie odbywa się na podstawie istniejących szczegółów terenowych. Następnie otwierany jest radarogram, który jest kalibrowany do układu współrzędnych hybrydowej mapy topograficznej. Przy kalibracji wykorzystywano te obiekty, które gwarantowały pełną jednoznaczność co do ich identyfikacji na obu mapach: topograficznej i cyfrowej. Pozwalały one w precyzyjny sposób zidentyfikować punkty tożsame (np. skrzyżowania dróg). Zachowane parametry kalibracji radarogramu zostały następnie wykorzystane do kalibracji inteferogramu. W oparciu o tak stworzony zestaw parametrów na skalibrowany obraz SAR nałożono odpowiadający mu interferogram. Skalibrowany w ten sposób interferogram stanowi produkt wyjściowy oraz podstawę do digitalizacji izolinii zmian pionowych obniżeń terenu. Digitalizację obrazu prążków interferometrycznych przeprowadza się ręcznie w środowisku MicroStation. Polega ona na wnoszeniu linii wektorowych w miejsca granic pomiędzy obszarami zbiorów punktów o jednakowej wartości. W ten sposób digtalizując kolejne prążki inteferometryczne tworzymy kolejne izolinie obniżeń. Przypisywana wartość obniżenia wynika z ilości barwnych prążków zawartych w jednej pełnej sekwencji barw (w tym przypadku 0,86 cm na barwę). Rezultaty digitalizacji przetwarza się w programie komputerowym Surfer, otrzymując numeryczny obraz izolinii obniżeń. 4. Określanie rejonów aktualnego zagrożenia terenu wpływami górniczymi Dystrybucja wykonanych przez satelitę radarogramów jest możliwa w krótkim okresie czasu, niezbędnym do przesłania danych cyfrowych na nośniku magnetycznym. Opracowanie interferogramu z ostatniego i poprzedniego radarogramu trwa kilka dni. Łącznie potrzeba zaledwie około 2 tygodni, aby uzyskać okresowe niecki obniżeniowe, wskazujące na rejony aktualnych bezpośrednich oddziaływań prowadzonej eksploatacji górniczej na powierzchnię terenu. Okresowe niecki obniżeniowe uzyskuje się w układzie współrzędnych cyfrowej mapy terenu i mapy górniczej poprzez proces kalibracji. Jako granicę rejonów aktualnego zagrożenia terenu należy przyjmować granice ostatniego zewnętrznego prążka interferogramu, który reprezentuje przyrost obniżeń o wartość powyżej 8 mm. Na rysunku 4.1 przedstawiono przykład wyznaczania rejonów aktualnego zagrożenia terenu z LGOM dla okresu 23.10.1995 1.01.1996 r. Po lokalizacji rejonów kolejnym etapem może być ocena ilości zagrożonych obiektów oraz w miarę możliwości skala tego zagrożenia w zależności od tempa przyrostu obniżeń (Hejmanowski i in. 2002). 342

WARSZTATY 2006 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys. 4.1. Zasięg wpływów eksploatacji w rejonie miasta Polkowice (23.10.1995 1.01.1996) Fig. 4.1. Range influences of the underground mining exploitation in Polkowice (23.10.1995 1.01.1996) 5. Weryfikacja prognoz deformacji powierzchni terenu 5.1. Wyznaczanie parametrów teorii wpływów eksploatacji S. Knothego z niecek elementarnych Do wyznaczenia parametrów r i tg teorii wpływów S. Knothego wykorzystano metodę obliczeń, która bazuje na założeniu elementarności niecki obniżeniowej (Batkiewicz, Popiołek 1972). W toku przeprowadzonych badań (Popiołek i in. 2002) potwierdzono, że zarejestrowane i wybrane do obliczeń interferometryczne niecki obniżeniowe spełniają to założenie. Przyjęta metoda obliczeń pozwala na wyznaczenie wartości parametru rozproszenia wpływów r, zdefiniowanego w przytaczanej teorii. Wykonując obliczenia skorzystano ze wzoru (Batkiewicz, Popiołek 1972): 1,17x2 r (5.1) lg( w1 : w2 ) gdzie: w 1 maksymalna wartość obniżenia w poprzecznym przekroju niecki obniżeniowej (w miejscu x 1 = 0), w 2 wartość obniżenia na skrzydle niecki obniżeniowej (w miejscu x 2). Na podstawie wyznaczonego w ten sposób parametru teorii wpływów eksploatacji S. Knothego r, przy znajomości głębokości zalegania partii złożowej H, można obliczyć wartość parametru górotworu tg, korzystając z liniowej zależności funkcyjnej: 1 r H tg tg 343 H r (5.2)

E. POPIOŁEK, H. MARCAK, A. KRAWCZYK Możliwości wykorzystania interferometrii W celu praktycznej oceny zasadności proponowanej metody wyznaczania parametrów tg, dla podziemnej eksploatacji rudy miedzi w LGOM, wybrano sześć niecek obniżeniowych wygenerowanych technologią InSAR. Rozmieszczenie ponumerowanych kolejno od S1 do S6 niecek przedstawia rysunek 5.1. Rys. 5.1. Rozmieszczenie niecek obniżenowych Fig. 5.1. Location of subsidence troughs Przez centra niecek obniżeniowych poprowadzono po kilka podłużnych przekrojów. Wartości x 2 i odpowiadające im obniżenia w 2 (do wzoru 5.1), pozyskiwano zatem z całego przestrzennego obrazu danej niecki obniżeniowej. W wyniku tych operacji uzyskano z każdego przekroju po kilkadziesiąt wartości parametrów rozproszenia oraz parametru tg (przy znajomości głębokości eksploatacji w danym rejonie). Dane te poddano analizie i selekcji, odrzucając wartości znacznie odbiegające od wstępnie wyliczonej wartości przeciętnej. Wyselekcjonowane w ten sposób dane uśredniono, uzyskując przeciętne wartości tg p i r p, wyznaczone w oparciu o określony przekrój danej niecki obniżeniowej. Wyniki obliczeń, jak również ostateczne wartości wyliczonych tg i r w rejonach występowania niecek obniżeniowych, przedstawia tabela 5.1. 344

WARSZTATY 2006 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Wartości rozproszenia wpływów r i tg Diffuse of influence r and tg values Tabela 5.1. Table 5.1. Niecka Przekrój r p [m] tg p r [m] tg P1 895 1,20 S1 P2 625 1,72 793 1,40 P3 860 1,28 P1 535 1,72 S2 P2 590 1,54 545 1,68 P3 510 1,79 S3 P1 410 1,69 410 1,69 S4 P1 470 1,64 P2 595 1,60 533 1,62 S5 P1 510 1,32 P2 560 1,19 535 1,26 S6 P1 440 1,50 P2 505 1,36 473 1,43 Wartości obliczonych w powyższej tabeli parametrów tg nie odbiegają od przyjmowanych do tej pory wartości w prognozach wpływów, a wyznaczanych z geodezyjnych linii obserwacyjnych. Zróżnicowanie ostatecznych wartości tg w zakresie 1,26 1,69 obrazuje zmienność górotworu na obszarze LGOM. Chcąc w bardzo ogólny sposób scharakteryzować górotwór w LGOM, można wyliczyć wartość średnią. Dla terenu LGOM objętego wybranymi do analizy elementarnymi nieckami obniżeniowymi (rys. 5.1) wynosi ona tg śr 1,51. Jest to więc wartość zbliżona do uzyskiwanych z bezpośrednich obserwacji geodezyjnych (tg od 1,4 do 1,7). 5.2. Weryfikacja prognoz obniżeń terenu teorią Knothego Modelowanie przyrostów obniżeń powierzchni terenu możliwe jest do uzyskania poprzez obliczenia bazujące na teoriach wpływów. Obliczenia teoretyczne w LGOM wykonuje się przy użyciu komputerowego systemu MODEZ, opartego na teorii Knothego. W tym systemie obliczenia przeprowadza się na podstawie znajomości usytuowania parcel i warunków eksploatacji złoża oraz parametrów zmodyfikowanych dla warunków LGOM teorii Knothego. Poprawne przyjęcie do obliczeń parametrów teorii w określonym rejonie eksploatacji złoża, pozwala uzyskać przyrosty obniżeń terenu, zbliżone do dokładności wyznaczonych poprzez bezpośrednie pomiary geodezyjne. Pozwala to uznać prognozę przyrostów obniżeń za odpowiadającą rzeczywistym obniżeniom okresowym. W celu weryfikacji ilościowej i jakościowej niecek obniżeniowych uzyskanych metodą InSAR dokonano ich porównania z nieckami okresowymi uzyskanymi poprzez modelowanie za pomocą systemu MODEZ (Popiołek i in. 1997) a więc z nieckami bliskimi rzeczywistości (rys 5.2). Mimo małych wartości przyrostów obniżeń zgodność niecek jest zadowalająca i to zarówno pod względem jakościowym jak i ilościowym. Potwierdza to duże możliwości 345

E. POPIOŁEK, H. MARCAK, A. KRAWCZYK Możliwości wykorzystania interferometrii metody InSAR oraz jej wiarygodność, co stwarza szerokie możliwości ograniczania kosztownych pomiarów geodezyjnych. Rys. 5.2. Porównanie niecek obniżeniowych: modelowanej w systemie MODEZ i wyznaczonej metodą InSAR Fig. 5.2. Comparison subsidence troughs calculated by MODEZ system with observed by InSAR method 346

WARSZTATY 2006 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 6. Ocena możliwości metody InSAR w aspekcie weryfikacji położenia ognisk wstrząsów pogórniczych Podziemnej eksploatacji górniczej szczególnie w kopalniach miedziowych towarzyszy emisja silnych wstrząsów górniczych. Dotyczy to w szczególności eksploatacji w takiej sytuacji geologicznej, kiedy nad eksploatowanym pokładem występują skały o dużej wytrzymałości, takie jak grube ławy dolomitów czy piaskowców. Występowanie tych skał stanowi istotny element w rozwoju deformacji górotworu prowadzącej do kumulowania się znacznych energii. Wstrząsy górnicze są rejestrowane przez kopalnianą sieć sejsmologiczną. W ocenie ryzyka wystąpienia wstrząsu zakłada się istnienie empirycznych zależności pomiędzy strukturą obserwowanych ciągów pomiarowych i rozwojem deformacji, która prowadzi do silnego wstrząsu. Istnieją liczne prace pokazujące, że istnieją takie związki pomiędzy strukturą pomiarów sejsmicznych i konwergencją stropu wyrobiska oraz prędkością obniżeń terenu. Położenie epicentrów wstrząsów górniczych jest związane z położeniem stref liniowych, na których pojawiają się wstrząsy. Taką strefę najlepiej widać na rysunku 6.1, gdzie wyznaczają ją zarejestrowane silne wstrząsy o energiach przekraczających 10 7 J. Rys. 6.1. Rozkład epicentrów wstrząsów Fig. 6.1. Disposition epicentre of tremors 347

E. POPIOŁEK, H. MARCAK, A. KRAWCZYK Możliwości wykorzystania interferometrii Analiza wyników badania korelacji pomiędzy kształtem izolinii takich samych obniżeń na mapach interferometrycznych i położeniem epicentrów wskazują na to, że większość wstrząsów powoduje zmiany w strukturze obniżeń (strefa anomalii interferometrycznej). Jest to strefa o zwiększonym gradiencie, która jest położona pomiędzy strefami o małym gradiencie. Powyższe spostrzeżenia, widoczne również w innych rejonach oddziaływania eksploatacji, wyraźnie wskazują na wpływ silnych wstrząsów górotworu na okresowy wzrost przyrostów obniżeń terenu. Potwierdza to wcześniejsze, w sposób bardziej przypadkowy zarejestrowane geodezyjnie bardzo szybkie przyrosty obniżeń terenu po silnych wstrząsach górotworu. Analizy zaobserwowanych metoda InSAR okresowych niecek obniżeniowych wykazują duże możliwości weryfikacji modeli zjawisk sejsmicznych, które mogłyby być stosowane w modelowaniu tych skomplikowanych zjawisk towarzyszących eksploatacji górniczej. Rozważania oparte nawet o szereg założeń apriorycznych (np. wartości spadków naprężeń wzięte z wyliczeń prowadzonych w sejsmologii dla niektórych wstrząsów) wskazują, że przemieszczenia powierzchni Ziemi mogą być pomierzone przez metody interferometryczne (do ok. 7 cm). Istnieją przypadki, w których nie ma korelacji pomiędzy pojawieniem się zjawiska sejsmikcznego i anomalii interferometrycznej. Może to być skutek poziomych przesunięć sejsmicznych, które nie dają efektów w postaci obniżeń. Interesujące w aspekcie monitorowania skutków wstrząsów górniczych metodą InSAR jest to, że położenie epicentrów wstrząsów jest związane ze strefami liniowymi. Jest to wyraźnie widoczne na rysunku 6.2. Poprzez korelację usytuowania wstrząsów z przyrostami obniżeń oraz polami eksploatacji złoża można wskazać na potencjalne rejony wystąpienia wstrząsu lub jego brak. Opis deformacji w pobliżu źródła sejsmicznego jest niezmiernie skomplikowany i może być zrobiony w sposób uproszczony. Zależy on bowiem od szeregu parametrów, których nie można pomierzyć lub które ocenić bardzo trudno. W przypadku wstrząsów górniczych do deformacji związanych ze wstrząsami górniczymi trzeba dodać złożony charakter deformacji powierzchni, która jest sumą efektów pochodzących od bezpośrednich wpływów eksploatacji i wstrząsów. Niemniej wstępne oszacowania pokazane powyżej wskazują na to, że deformacje sejsmiczne mogą być mierzalne i istnieje szansa na ich wydzielenie z anomalii otrzymanych z pomiarów radarowych. 7. Roszczenia o szkody górnicze Na obszarze LGOM, a w szczególności na granicy bezpośrednich wpływów eksploatacji i poza nią, występują liczne zgłoszenia uszkodzeń obiektów budowlanych, których związek z działalnością górniczą jest mocno wątpliwy. W tych rejonach najczęściej nie ma punktów geodezyjnych, które dostarczyłyby informacji o rzeczywistych wpływach eksploatacji górniczej (deformacje ciągłe). W przypadku nieuznania szkody jako górniczej problem rozstrzygany jest sądownie. Jedyną możliwością uzyskania wiarygodnych dla sądu informacji o ciągłych deformacjach terenu jest wykorzystanie pary radarogramów obejmujących okres ujawnienia się uszkodzenia. Potwierdzona przeprowadzonymi badaniami w LGOM dokładność wyznaczania zmian terenu metodą InSAR jest dla tego celu w pełni wystarczająca. Dotychczasowe rozwiązywanie problemów sądowych poprzez kosztowne ekspertyzy i opinie biegłych sądowych nie zawsze bywa obiektywne. 348

WARSZTATY 2006 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie 8. Monitoring stawów osadowych Rys. 6.2. Liniowa strefa pęknięcia górotworu Fig. 6.2. Line zone of rock mass crack Wykonane dotychczas interferogramy dla terenu górniczego LGOM pozwoliły ocenić możliwości zastosowania satelitarnej interferometrii radarowej do monitoringu dużych stawów osadowych. Problem rozważano w oparciu o kilkanaście zarejestrowanych metodą InSAR obrazów, dwóch zlokalizowanych w tym rejonie stawów. Jednym z nich jest czynny zbiornik poflotacyjnych odpadów Żelazny Most, natomiast drugi Gilów jest zbiornikiem nieczynnym od 1984 r. Wpływa to na odmienny ich charakter i związane z tym problemy zagrożenia. W przypadku zbiornika Żelazny Most najistotniejszą sprawą jest kontrola wysokich obwałowań w aspekcie utrzymywania ich stateczności. Odpowiednio zweryfikowane wyniki interferometrycznego obrazu przemieszczeń pionowych w obrębie skarp, mogą w dużym stopniu wspomagać stosowane dotychczas tam geodezyjne techniki pomiarowe. W tym zakresie metoda InSAR może dostarczać informacji o ruchach pionowych grobli, szczególnie w okresach pomiędzy jedną a drugą serią pomiarów geodezyjnych. 349

E. POPIOŁEK, H. MARCAK, A. KRAWCZYK Możliwości wykorzystania interferometrii Zbiornik Gilów znajduje się w zasięgu wpływów aktualnie prowadzonej eksploatacji górniczej. Z tego powodu konieczna jest jego okresowa kontrola, którą dla całej powierzchni obiektu można wykonać metodą InSAR. Obok rejestrowanych za jej pomocą wpływów górniczych, uwidaczniają się dodatkowo pionowe ruchy powierzchni, związane najprawdopodobniej z trwającą wciąż kompresją zdeponowanych tam osadów. Przeprowadzone do tej pory analizy i rozważania wskazują, że możliwe jest stosowanie metody InSAR w celu okresowego monitorowania zbiorników osadowych LGOM. 9. Nowe techniki przetwarzania danych InSAR W ciągu ostatnich kilku lat gwałtownie wzrosły nakłady na prace badawcze związanie z interferometrią satelitarną. Prace koncertują się obecnie na dwóch kierunkach zastosowań: opracowanie nowych technik badawczych przeznaczonych do interpretacji interfergramów, budowa nowych typów radiolokatorów (sensorów radarowych) i konstrukcja nowych satelitów. Nowe metody przetwarzania danych stanowić mogą bardzo interesujące źródło pozyskiwania danych o deformacjach terenu górniczego. Zastosowanie tych metod w istotny sposób może podnieść jakość i ilość otrzymywanych danych a w szczególności ich dokładność w aspekcie deformacji terenu wywołanych nie tylko eksploatacją górniczą. W latach 2001 2003 opracowane i opatentowane zostały dwie nowe metody przetwarzania interferogramów. Technologie te, pomimo że noszą różne nazwy, wykorzystują tę samą metodę analizy interferogramów. Metoda ta polega na identyfikacji naturalnych obszarów (reflektorów) o własnościach dobrego, stałego w czasie, odbicia fali radarometrycznej. Są to technologie: 1. Permanent Scatters (skrót PS) Punkty Stale Odbijające, 2. Coherent Target Monitoring (CTM) Monitoring Punktów Koherentnych. Pierwsza metoda opracowana została na Politechnice Milano, a druga przez prywatną firmę Vexcel. Ważnym etapem analizy tych punktów jest identyfikacja czynników zakłócających pomiar w kontekście wartości określonych dla punktów o stałym odbiciu. Metodyka badań w obydwu technologiach wygląda podobnie, można wyróżnić następujące etapy: 1. selekcja, dla wybranego obszaru badań od 30 do 40 obrazów SAR, dopiero taka ilość radarogramów pozwala na wykonanie wiarygodnej oceny stabilności punktu w czasie; 2. budowa modelu terenu dla danej sceny model terenu budowany jest w celu usunięcia wpływu dekorelacji geometrycznej piksela obrazu radarowego; 3. selekcja par radarogramów w celu wytworzenia jak największej liczby interferogramów; 4. korejestracja interferogramów i analiza zarejestrowanych wartości fazy danego piksela na wszystkich interferogramach analizowana jest historia zmian fazy sygnału w danym punkcie; 5. selekcja i oznaczenie wszystkich punktów stabilnych na interferogramie, określenie wartości zmian powierzchni terenu w czasie, następnie dla wybranych w ten sposób punktów dokonuje się interpretacji zmian wysokości terenu. Zalety nowej metody analizy interferogramów: umożliwia pomiary zmian wysokości punktów w długich horyzontach czasowych (nawet 5 6 lat); 350

WARSZTATY 2006 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie umożliwia wykonywanie pomiarów w rejonach, gdzie zwykła metoda InSAR nie daje zadowalających rezultatów, np. w rejonach terenów leśnych; uzyskiwana jest bardzo wysoka dokładność wyznaczania zmian wysokości terenu około 0,5 mm na rok; duża liczba punktów o stałym odbiciu znajduje się w terenach zurbanizowanych i zagospodarowanych, a więc w rejonach zagrożeń wpływami górniczymi. Wady metody stałych punktów odbicia: brak wpływu na identyfikację stałych punktów (pikseli ) w terenie; bardzo duży zestaw danych wymagany do zastosowania tej metody (ok. 25 do 30 radarogramów do jednej analizy); ze względu na wymaganą dużą ilość danych jest to metoda droższa od obecnej; wszystkie algorytmy do analiz interferogramów są opatentowane (rzutuje to na ceny oprogramowania). 10. Podsumowanie W ramach niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań, które wykazały szerokie możliwości satelitarnej metody interferometrii radarowej InSAR w rozwiązywaniu problemów z zakresu monitoringu ujemnego oddziaływania podziemnej eksploatacji na powierzchnię terenu i obiekty na niej się znajdujące. Jest to nowoczesna metoda teledetekcji satelitarnej, która rozszerza możliwości monitoringu wpływów eksploatacji na całym terenie górniczym oraz może przyczynić się do ograniczania zagrożeń górniczych w zabudowie i zagospodarowaniu terenów podlegających wpływom górniczym. Wykorzystać ją można do realizacji następujących zadań: 1. Opracowanie bieżących map deformacji terenu. Bazując na seriach zdjęć radarometrycznch można na ich odstawie opracowywać mapy przyrostu obniżeń terenu. Możliwość sumowania przyrostu pozwala na określanie wartości obniżeń w okresach rocznych. 2. Ocena zgłoszeń szkód budowlanych. Posiadanie bieżących map deformacji terenu umożliwia wstępna waloryzację zgłoszeń uszkodzeń obiektów budowlanych. Możliwe będzie bowiem doszukiwanie się związków przyczynowo-skutkowych pomiędzy usytuowaniem dynamicznego skłonu niecki obniżeniowej a lokalizacją obiektu, dla którego nastąpiło zgłoszenie szkody. 3. Monitoring wpływów eksploatacji oraz parametrów teorii Knothego w nowo udostępnianych partiach złoża. Niezwykle istotnym kierunkiem praktycznego zastosowania InSAR jest rozpoczęcie eksploatacji w nowej partii złoża położonego głębiej lub dalej niż dotychczas eksploatowane złoże. Dzięki metodzie InSAR już w ciągu kilku miesięcy od rozpoczęcia eksploatacji możliwe będzie określenie parametrów teorii wpływów (tgβ). 4. Monitoring zbiorników odpadów poflotacyjnych. Istnieją w pełni potwierdzone możliwości zastosowania interferometrii do monitorowania stabilności zapór zbiorników odpadów poflotacyjnych dla których metoda InSAR może stanowić cenne uzupełnienie informacji o ruchach zapór zbiornika w okresach pomiędzy pomiarami geodezyjnymi. 5. Uzupełnienia i ewentualnego ograniczenia klasycznych pomiarów deformacji na rzecz pomiarów InSAR. 351

E. POPIOŁEK, H. MARCAK, A. KRAWCZYK Możliwości wykorzystania interferometrii Jak potwierdziły przeprowadzone badania, metoda InSAR stanowi wiarygodne źródło danych. W obecnej postaci w pełni nadaje się do zastosowań w dziedzinie ochrony terenów górniczych. Wprowadzenie jej jednak do codziennej praktyki górniczej uwarunkowane jest podjęciem przedsięwzięć organizacyjno-technicznych umożliwiających wprowadzenie permanentnego monitoringu interferometrycznego. Realizacja tego przedsięwzięcia dopiero po pewnym czasie będzie mogła stanowić podstawę do efektywnej redukcji pomiarów klasycznych. Praca wykonana w ramach grantu KBN nr 4 T12E 001 26. Literatura [1] Atlantis 1997: EarthView InSAR version 1.1.0 User's Guide, Atlantis Scientific Inc., Ontario. ESA 1995 Satelite Radar in Agriculture. ESA report SP-1185, (red: Tan-Duc Guyenne) 1 71, Noordwijk. [2] Batkiewicz W., Popiołek E. 1972: Prognozowanie wpływu eksploatacji górniczej na powierzchnię terenu w warunkach LGOM. Prace Komisji Górniczo-Geodezyjnej PAN, Geodezja 14, Kraków. [3] Hejmanowski 2002: Application of satellite radar interferometry to the examination of the areas of mining exploitation, Surface Mining Braunkohle & other minerals, vol. 54, no. 1, 74 82. [4] Massonnet i in. 1998: Radar interferometry and its application to the changes in the Earth's surface. Reviews of Geophysics, vol. 36, no. 4. [5] Perski Z. 1998: Applicability of ERS-1 and ERS-2 InSAR for Land Subsidence Monitoring in the Silesian Coal mining region, Poland. International Archives of Photogrametry and Remote Sensing, vol. 32, no. 7. [6] Popiołek E. i in. 2002: Zastosowanie interferometrii radarowej do wielkopowierzchniowych pomiarów odkształceń pionowych terenów górniczych LGOM w celu ograniczania klasycznych pomiarów deformacji, AGH Kraków, praca niepublikowana. [7] Popiołek E. i in. 1997: Opracowanie nowego modelu wpływów eksploatacji górniczej na powierzchnię terenu LGOM w oparciu o teorię Knothego Budrysa. Etap I, II praca naukowo- -badawcza na zlecenie KGHM Polska Miedź S.A., AGH Kraków, (niepublikowane). [8] Pratti i in. 1994: Report on ERS-1 SAR interferometric techniques and applications. ESA report 10179/93/YT/I/SC 1 122. Frascati. [9] Reigber i in. 1996: Impact of Precise Orbits on SAR Interferometry. ESA Fringe 96 Workshop. The possibilities of using satellite radar interferometry InSAR in mining threats monitoring This paper presents the possibilities to monitor subsidence trough caused by underground exploitation of the seam deposit with the application of a satellite method InSAR. This method allow us to making determination of periodical increases in the area of subsidence and making comparisons between measured values and evaluated before exploitation. It was proved that the InSAR method allows the assessment of current threat to the mining area and objects by defining the areas of intensive subsidence as well as the estimation of maximal values of deformation indexes. Emphases possibilities using InSAR method instead of traditional survey measurements. The correlation between tremor localization and changes in the deformation structure was shown. Przekazano: 4 kwietnia 2006 r. 352