K. MIREK, Z. ISAKOW Wstępna analiza danych satelitarnej interferometrii... Mat. Symp. str. 228 234 Katarzyna MIREK *, Zbigniew ISAKOW ** * Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Geoinformatyki i Informatyki Stosowanej ** Centrum EMAG, Katowice Wstępna analiza danych satelitarnej interferometrii radarowej z południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego Słowa kluczowe InSAR, GZW, osiadanie Streszczenie Satelitarna interferometria radarowa staje się coraz bardziej popularną techniką wykorzystywaną w różnych dziedzinach: od tworzenia numerycznych modeli powierzchni terenu (DEM) poprzez monitorowanie osuwisk, lodowców, osiadania terenu aż po badanie zjawisk przyrodniczych i wegetacji roślin. Niniejszy artykuł przedstawia wstępne wyniki analizy interferogramów utworzonych z radarowych zdjęć satelitarnych, obejmujących południowo-zachodnią część Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Do przetwarzania wykorzystano parę zdjęć wykonanych w marcu i kwietniu 2008 roku. Zdjęcia charakteryzują się niedużą odległością bazową i czasową. Na uzyskanych interferogramach widoczne są koncentryczne, eliptyczne prążki interferencyjne, które wskazują na tworzenie się niecek osiadania na badanym obszarze. 1. Wstęp Górnośląskie Zagłębie Węglowe (GZW) charakteryzuje się skomplikowaną budową geologiczną, na którą dodatkowo nakładają się wpływy ponad 200 lat eksploatacji węgla kamiennego. Z eksploatacją węgla kamiennego wiążą się zagrożenia spowodowane sejsmicznością indukowaną oraz osiadaniem terenu. Obszar GZW jest silnie zurbanizowany, w związku z czym zagrożenia wynikające z powstawania niecek osiadań oraz sejsmiczności indukowanej wymuszają monitorowanie rejonów związanych z eksploatacją węgla kamiennego, poprzez rozwijanie sieci geodezyjnej lub sejsmologicznej. Dostęp do danych satelitarnych spowodował rozwój nowych metod, które pozwalają na objęcie monitoringiem znacznego obszaru. Satelitarna interferometria radarowa jest narzędziem, które znalazło zastosowanie w wielu dziedzinach nauki: od tworzenia numerycznych modeli powierzchni terenu (DEM) poprzez monitorowanie osuwisk, lodowców, powodzi, osiadania terenu aż po badanie zjawisk przyrodniczych i wegetacji roślin (np. Zebker, Goldstein 1986; Gabriel i in. 1989; Goldstein i in. 1993; Massonet, Adragna 1993; Weydahl 1996; Rott i in. 1999). 228
WARSZTATY 2009 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Satelitarna interferometria radarowa InSAR (Synthetic Aperture Radar Interferometry) to technika, która wykorzystuje wzajemne przesunięcia fazy sygnałów radarowych dwóch satelitarnych obrazów SAR. Przetwarzając różnice fazowe dwóch obrazów uzyskanych w czasie kolejnych nalotów satelity, uzyskujemy w efekcie jeden obraz interferometryczny. Podczas rejestracji fal odbitych od powierzchni Ziemi zapisywane są informacje o intensywności odbicia fal (tj. stopnia pochłaniania fal przez powierzchnię Ziemi) oraz fazy tych sygnałów w momencie dotarcia do odbiornika. Zmiana fazy sygnału na radarogramie o pełny cykl 360 o odpowiada połowie długości fali sygnału. W przypadku satelitów ERS-1/2, czy ENVISAT długość fali wykorzystywanej przez urządzenie SAR wynosi 5,6 cm. Mając dwa radarogramy wykonane w różnym czasie można znaleźć wartości fazy o jakie różnią się te dwa sygnały. Obraz interferencyjny otrzymany z dwóch radarogramów będzie przedstawiał zmiany wysokościowe powierzchni terenu w postaci obrazu interferencyjnego, gdzie zmiana fazy o pełny cykl 360 o odpowiada długości 2,8 cm, czyli różnicy terenu jaka powstała w czasie pomiędzy wykonaniem kolejnych radarogramów. Jednak ze względu na kąt padania fali radarowych, który wynosi 23 o, należy uwzględnić poprawkę, i tak obniżeniu 2,8 cm mierzonemu wzdłuż kierunku padania fali Ziemia satelita odpowiada obniżenie powierzchni odbijającej o 2,58 cm w kierunku pionowym. Zastosowanie interferometrii do śledzenia wpływu górnictwa węglowego było po raz pierwszy przedstawione przez Ostaficzuka (Ostaficzuk 1995). Natomiast pierwsze praktyczne wykorzystanie metody InSAR do badania osiadania na terenach górniczych przeprowadzono w Wielkiej Brytanii, w zagłębiu górniczym Selby (Stow, Wright 1997). W Polsce satelitarną interferometrię radarową zastosowano dla dwóch górniczych regionów: po raz pierwszy dla Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (Perski 1998; Perski 1999a; Perski 1999b; Perski, Jura 1999), a następnie dla Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego (Krawczyk, Perski 2000; Popiołek i in. 2002; Popiołek 2003; Popiołek i in. 2006). Satelitarna interferometria radarowa jest metodą, która stale się rozwija. W chwili obecnej bardzo popularna jest technika PSInSAR (Permanent Scatterer Interferometry), która opiera się na rejestrowaniu stabilnych punktów odbijających, tzw. punktów PS (Permanent Scatterers). Metoda PSInSAR została wykorzystana do oszacowania osiadania na obszarze północnowschodniej części GZW po raz pierwszy przez Granicznego (Graniczny i in. 2005; Graniczny 2006), a następnie rozwijana przez innych badaczy (Leśniak, Porzycka 2008a; Leśniak, Porzycka 2008b; Mirek, Mirek 2008). 2. Wstępne przetwarzanie i analiza danych Wstępnej analizie poddano parę zdjęć wykonanych przez satelitę ENVISAT (tab. 2.1). Zdjęcia wykonano w marcu i kwietniu 2008 roku i pokrywają obszar południowo-zachodniej części Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Przetwarzanie zostało wykonane dla całej sceny (100km x 100km). Tabela 2.1. Zestawienie analizowanej pary zdjęć Table 2.1. The characteristic of data used for interferometric processing satelita MASTER SLAVE odległość prostopadła odległość orbita data orbita data bazowa odległość czasowa [m] bazowa [m] ENVISAT 31531 2008.03.11 32032 2008.04.15 422 366 35 dni 229
K. MIREK, Z. ISAKOW Wstępna analiza danych satelitarnej interferometrii... Zdjęcia zostały poddane wstępnemu przetwarzaniu, które nie objęło rozwijania fazy. W pierwszym kroku przetwarzania następuje odczytanie zespolonego obrazu oraz orbit najpierw z pliku MASTER, a następnie z pliku SLAVE. Jakość uzyskiwanych interferogramów w bardzo dużej mierze jest uzależniona od geometrycznej konfiguracji orbit satelity i topografii powierzchni ziemi. Z reguły podczas procesu przetwarzania zdjęć geometrię satelity opiera się o obliczone precyzyjne orbity satelity. Niestety w przypadku analizowanych zdjęć, okazało się, że brak jest dostępu do precyzyjnych orbit. Dlatego podczas przetwarzania wykorzystano szacunkowe orbity znajdujące się w nagłówkach zdjęć. Dodatkowo, żeby jednak zwiększyć precyzję, posłużono się w procesie przetwarzania, również numerycznym modelem powierzchni terenu (DEM Digital Elevation Model). Kolejnym etapem przetwarzania była koregistracja pliku SLAVE do MASTER. Koregistracja jest jednym z ważniejszych etapów przetwarzania. Podczas koregistracji dopasowywane są do siebie zdjęcia wybrane do utworzenia interferogramu. Koregistrację wykonuje się w dwóch krokach: wstępna koregistracja (coarse coregistration), która dopasowuje do siebie zdjęcia na poziomie piksela oraz precyzyjna koregistracja (fine coregistration), gdzie zdjęcia dopasowywane są na poziomie sub-piksela. Po koregistracji wykonywany jest resampling, który składa się z dwóch kroków. W pierwszym rekonstruowany jest ciągły sygnał z jego spróbkowanej wersji przez splot z jądrem interpolacyjnym. Drugi krok polega na pobraniu próbki ze zrekonstruowanego sygnału w nowej pozycji. Najważniejszym krokiem w przetwarzaniu jest tworzenie interferogramów. Zespolony interferogram jest konstruowany poprzez mnożenie wartości zespolonych w punktach odpowiadających sobie na obydwu zdjęciach (2.1) ( jψ ) = y y ( j( ψ ψ )) 1y2 = y1 exp( jψ 1) y2 exp 2 1 2 exp y (2.1) gdzie: y 1,y 2 wartości zespolone w parze zdjęć w odpowiadających sobie pikselach. ψ 1, ψ 2 faza sygnału j amplituda sygnału Analizę danych rozpoczęto od oceny koherencji. Koherencja dostarcza nam informację o czasowej stabilności punktów odbijających (Bamler, Hartl 1998). Czynniki, które mogą prowadzić do czasowej dekorelacji sygnału radarowego, to m.in. zmiany w wegetacji roślin, mróz i odwilż, które będą miały wpływ na wilgotność gleby, orka itp. Zmieniająca się w ułamku sekundy powierzchnia wody może prowadzić do całkowitej dekorelacji. Największy negatywny wpływ na wartość koherencji mają takie czynniki jak (Hanssen 2001): zbyt duża odległość bazowa, która utrudnia precyzyjne współrejestrowanie zdjęć; stosunek szumu sygnału radarowego i defekty fazy związane z aparaturą; fizyczne zmiany środowiska jakie zaszły pomiędzy kolejnymi nalotami czy zbyt duża odległość czasowa pomiędzy kolejnymi nalotami. Koherencja uzyskana z przetworzonych obrazów wykazuje wysokie wartości (rys. 2.1). Niewątpliwie jest to związane z niewielką odległością czasową i bazową przetwarzanych zdjęć oraz silnie zurbanizowanym terenem. Koherencja przyjmuje wartości od 0 (brak koherencji) do 1 (najwyższa koherencja). Na rysunku 2.1 koherencja o wartości równej 1 jest reprezentowana przez kolor biały, a o wartość koherencji równa 0 przez kolor czarny. 1 2 230
WARSZTATY 2009 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Rys. 2.1. Wartość koherencji. Fig. 2.1. Coherence map. W procesie tworzenia interferogramów wykorzystano ponownie numeryczny model powierzchni terenu (DEM), w celu wyeliminowania sygnału pochodzącego od powierzchni terenu. Na uzyskanych w wyniku przetwarzania interferogramach widoczne są obszary, które przedstawiają wzór eliptycznych prążków, co wskazuje na przesunięcie fazy sygnału radarowego. Mamy więc do czynienia z obszarami, na których zaznacza się największy przyrost osiadania spowodowanego działalnością górniczą (Stow 1997; Perski 1999). Na rysunku 2.2 pokazano przykładowy fragment interferogramu. Z lewej strony widoczny jest interferogram dla całego badanego obszaru, z prawej powiększony fragment obejmujący okolice Knurowa. Na powiększonym fragmencie interferogramu widoczne są dwa eliptyczne obszary wskazujące na osiadanie powstałe na skutek eksploatacji węgla kamiennego. Obszary osiadania składają się z około 2 prążków, co wskazuje na osiadanie rzędu około 5cm na 35 dni. 231
K. MIREK, Z. ISAKOW Wstępna analiza danych satelitarnej interferometrii... 54 52 50 16 18 20 22 Rys. 2.2. Interferogram uzyskany z pary zdjęć 2008.03.11 i 2008.04.15 (opis w tekście). Fig. 2.2. Differential interferogram 2008.03.11-2008.04.15 (explanation in text). 3. Podsumowanie Przetworzenie całej sceny (100km x 100km) pozwoliło na ocenę przydatności wybranej pary zdjęć do analizy osiadania: koherencja uzyskana z przetworzonych obrazów wykazuje wysokie wartości; na interferogramach widoczne są miejsca wskazujące na występowanie w badanym rejonie obszarów, na których tworzą się niecki osiadania; widoczne są prążki interferencyjne o kształcie eliptycznym, wskazujące na osiadanie wynoszące około 5cm/35 dni; wysoka koherencja oraz eliptyczne prążki interferencyjne są dobrym wskaźnikiem do podjęcia przetwarzania tylko tych obszarów, na których występuje osiadanie w celu szczegółowego określenia niecek osiadania oraz powiązania ich z działalnością górniczą. Wykorzystanie podczas przetwarzania numerycznego modelu powierzchni terenu (DEM), pozwoliło na zwiększenie precyzji przy dopasowywaniu do siebie zdjęć, przy braku precyzyjnych orbit oraz wyeliminowanie sygnału pochodzącego od powierzchni terenu podczas tworzenia interferogramów. Praca w części została sfinansowana z badań statutowych nr 11.11.140.561 232
WARSZTATY 2009 z cyklu: Zagrożenia naturalne w górnictwie Literatura [1] Bamler R., Hartl P. 1998: Synthetic Aperture Radar Interferometry. Inverse Problems, vol. 14, 1-54. [2] Gabriel A.K., Goldstein R.M., Zebker H.A. 1989: Mapping small elevation changes over large areas: differential radar interferometry. Journal of Geophysical Research, 94(B7), 9183-9191. [3] Goldstein R.M., Engelhardt H., Kamp B., Frolich R.M. 1993: Satellite radar interfermetry for monitoring ice sheet motion: Application to Antarctic ice stream. Science, 262, 1525-1530. [4] Graniczny M., Kowalski Z., Jureczka J., Czarnogórska M. 2005: TerraFirma Project Monitoring of subsidence of Northeastern part of Upper Silesian Coal Basin. Sp. Papers Polish Geological Institute, 20: 59 63. [5] Graniczny M. 2006: Wykorzystanie technologii PSInSAR dla obserwacji przemieszczeń powierzchni terenu na przykładzie Górnego Śląska. Materiały Sympozjum Warsztaty Górnicze 2006. [6] Hanssen R. 2001: Radar Interferometry. Data Interpretation and Error Analysis. Kluwer Academic Publishers. [7] Krawczyk A., Perski Z. 2000: Application of satellite radar interferometry on the areas of udeground exploitation of copper ore in LGOM Poland. First International Congress of the International Society for Mine Surveying, vol. 2, 209-218. [8] Leśniak A., Porzycka S. 2008a: Environment monitoring using satellite radar interferometry technique (PSInSAR). Polish Journal of Environmental Studies, vol. 17, no. 3A, 382 387. [9] Leśniak A., Porzycka S. 2008b: Kompleksowa interpretacja pomiarów satelitarnych i naziemnych w ocenie zagrożeń na terenach górniczych i pogórniczych. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, t. 24, z. 2/3, 147 159. [10] Massonet D., Adragna F. 1993: A full-scale validation of Radar Interferometry with ERS-1: the Landers earthquake. Earth Observation Quarterly, 41. [11] Mirek K., Mirek J. 2008: Zastosowanie jądrowej aproksymacji w procesie interpretacji danych PSInSAR z północnej części GZW. Komputerowe Wspomaganie Badań Naukowych, T. 15, Prace Wrocławskiego Towarzystwa. Seria B, nr 214, 141 146. [12] Ostaficzuk S. 1995: Interferometry and its possibile application in geology. FORGES Remote Sensing Group Meeting. Warsaw 16-18.10.1995. [13] Perski Z. 1998: The test of applicability of land subsidence monitoring by InSAR ERS-1 and ERS-2 in the coal mine damaged region (Upper Silesia). International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, vol. XXII part 7, 555-558. [14] Perski Z. 1999a: Zakres interpretowalności osiadań terenu za pomocą satelitarnej interferometrii radarowej (InSAR). Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji vol. 9, 191-199. [15] Perski Z. 1999b: Osiadania terenu GZW pod wpływem eksploatacji podziemnej określane za pomocą satelitarnej interferometrii radarowej (InSAR). Przegląd Geologiczny, vol. 47, nr 2, 171-174. [16] Perski Z., Jura D. 1999: ERS SAR Interferometry for Land Subsidence Detection in Coal Mining Areas. Earth Observation Quartery 63, 25-29. [17] Popiołek E. 2003: Możliwości wykorzystania nowoczesnych metod monitorowania terenu górniczego w LGOM. Mat. Symp. Warsztaty 2003, 127-142. [18] Popiołek E., Hejmanowski R., Krawczyk A., Perski Z. 2002: Application of Satellite Radar Interferometry to the examination of the areas of mining exploitation. Surface Mining Braunkhole & Other Minerals, vol. 54 no.1, 74-82. [19] Popiołek E., Marcak H., Krawczyk A. 2006: Możliwości wykorzystania satelitarnej interferometrii radarowej InSAR w monitorowaniu zagrożeń górniczych. Mat. Symp. Warsztaty 2006, 339-352. [20] Rott H., Schechl B., Siegel A., Grasemann B. 1999: Monitoring very slow slope movements by means of SAR Interferometry: A case study from a mass waste above a reservoir in the Ötztal Alps, Austria. Geophysical Research Letters, 26(11), 1629-1632. [21] Stow R.J., Wright P. 1997: Mining Subsidence Land Surveying by SAR Interferometry. 3 rd ERS Symposium, Florence. [22] Weydahl D.J. 1996: Flood Monitoring in Norway Using ERS-1 SAR Images. Geoscience and Remote Sensing Symposium IGARSS'96. 233
K. MIREK, Z. ISAKOW Wstępna analiza danych satelitarnej interferometrii... [23] Zebker H.A., Goldstein R.M. 1986: Topographic Mapping From Interferometric Synthetic Aperture Radar Observations. Journal of Geophysical Research, 91(B5), 4993-4999. Preliminary analysis of InSAR data from south-west part of Upper Silesian Coal Basin Key words InSAR, Upper Silesian Coal Basin, subsidence Summary In recent years, the usage of Synthetic Aperture Radar Interferometry technique became more and more popular and it is used in many scientific field: for creating digital elevation models (DEMs), monitoring of deformation, glacier and ice motion etc. The paper presents preliminary analysis of satellite interferometry data from south-west part of Upper Silesian Coal Basin (USCB). USCB is characterised by a complicated geological structure, which is affected by the over 200-year hard coal mining. The hazards arising from the formation of subsidence and induced seismicity-related troughs necessitate monitoring the USCB area. With the use of an established geodetic network in the first case, and by means of a seismic network in the second case. The availability of satellite data resulted in the development of novel methods, which can significantly affect the monitoring quality of an endangered area. Authors used pair of satellite images for interferometric processing, made in March and April 2008. Differential interferograms show concentric fringes which are typically in areas of land subsidence. Przekazano: 10 marca 2008 r. 234