Satelitarny monitoring osiadań na terenach górniczych

W celu monitorowania zjawiska osiadania terenu, powodowanego chociażby eksploatacją górniczą, wykorzystuje się m.in. specjalistyczne radary, tzw. radary z syntetyzowaną anteną (ang. Synthetic Aperture Radar, w skrócie: SAR). Są one umieszczane na pokładach satelitów krążących po orbitach Ziemi. Wspomniane radary są przydatne w badaniu wpływu wydobycia surowców na stabilność terenu. Technologia ta stanowi również uzupełnienie tradycyjnych pomiarów naziemnych.

Radary z syntetyzowaną anteną monitorują powierzchnię Ziemi już od początku lat 90. ubiegłego wieku. Wówczas Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) umieściła na orbicie pierwszego satelitę wyposażonego w radar SAR. Od tego czasu na orbicie zostało umieszczonych kilkanaście satelitów posiadających tego typu urządzenia.

Polska w ESA

19 listopada 2012 roku Polska przystąpiła do Europejskiej Agencji Kosmicznej i uzyskała pełne prawo dostępu do funduszy ESA przeznaczonych na realizację projektów naukowo-badawczych. Szacuje się, że wejście Polski do tej agencji otworzy firmom i ośrodkom naukowym możliwości realizacji zleceń przemysłowych i badawczo-rozwojowych oraz spowoduje powstanie wielu miejsc pracy w dziedzinie wysokich technologii.

Jak to właściwie działa

Radar umieszczony na satelicie wysyła w kierunku Ziemi promieniowanie elektromagnetyczne, które jest odbijane od różnych obiektów na powierzchni Ziemi. To co wraca do satelity, jest rejestrowane. Powstaje wówczas obraz radarowy na podstawie, którego można monitorować m.in. deformacje terenu. Istotne jest to, że satelita, z którego otrzymuje się obraz, nie jest stacjonarny, lecz krąży wokół Ziemi i najczęściej w sposób ciągły, z dużą dokładnością, obrazuje naszą planetę. Satelita zazwyczaj przelatuje nad danym terenem co 14-30 dni. Istnieją jednak tzw. misje tandemowe, dzięki którym można monitorować dany obszar z większą rozdzielczością czasową. W celu zbadania wielkości osiadań oraz ich zasięgu wykorzystuje się zestaw dwóch lub więcej zobrazowań radarowych badanego obszaru, wykonanych w różnych momentach w czasie. Zobrazowania te mogą jednorazowo obejmować nawet do kilkudziesięciu tysięcy km kw. Na podstawie takiego zestawu danych istnieje możliwość zbadania osiadań, które wystąpiły od momentu wykonania pierwszego zobrazowania radarowego do momentu wykonania ostatniego. Okres ten może obejmować od kilku dni do kilku lat.

Źródło: TRE (www.treuropa.com).

Źródło: TRE (www.treuropa.com)

Wykryją nawet mm osiadanie terenu

Radary SAR umieszczane na orbitach ok 800 km nad powierzchnią Ziemi, potrafią wykryć osiadania terenu rzędu nawet 1mm. Rozdzielczość przestrzenna map osiadań wykonanych z zobrazowań SAR wynosi nawet ok. 2m. Oznacza to, że na obszarze 1km kw pomiar wykonywany jest w około 500 tys. punktów. Jako niewątpliwą zaletę systemów radarowych można wymienić brak konieczności umieszczania jakiegokolwiek sprzętu na powierzchni oraz brak problemów z trudno dostępnymi obszarami. Radar wykorzystuje obiekty istniejące na powierzchni jako punkty pomiarowe.

Metoda DInSAR

Monitoring pionowych przemieszczeń terenu, które wystąpiły w określonym przedziale czasu, jest możliwy dzięki wykorzystaniu satelitarnych obrazów SAR. Obrazy te są przetwarzane z zastosowaniem metody DInSAR. W metodzie tej wykorzystuje się dwa obrazy radarowe, które wykonane zostały w różnym czasie oraz informacje o topografii analizowanego obszaru. Na podstawie tych danych tworzona jest mapa pionowych przemieszczeń terenu, które wystąpiły w czasie pomiędzy pozyskaniem wykorzystanych obrazów SAR. Metoda cechuje się milimetrową dokładnością pomiaru.

Interferogram różnicowy (DInSAR).Mapa deformacji terenu. Źródło: Sarmap (www.sarmap.ch)

Interferogram różnicowy (DInSAR). Źródło: Sarmap (www.sarmap.ch)

Mapa deformacji terenu Źródło: Sarmap (www.sarmap.ch)Źródło: Sarmap (www.sarmap.ch)

Mapa deformacji terenu. Źródło: Sarmap (www.sarmap.ch)

Możliwości zastosowania

Technologia satelitarnego monitoringu osiadań terenu wykorzystywana jest m.in. w krajach Europy Zachodniej, w Kanadzie czy Japonii. W Polsce również istnieją już firmy przeprowadzające tego typu badania. Aktualnie w naszym kraju wykorzystuje się tylko niewielką część możliwości jakie oferują technologie kosmiczne. Dobra wiadomość jest taka, że powstał już wstępny plan rozwoju branży kosmicznej w Polsce na lata 2014-2020, który zakłada m.in. wzrost kompetencji polskich firm czy administracji państwowej, dotyczący możliwości zastosowania obrazowań satelitarnych. Na świecie obrazy z radarów satelitarnych wykorzystywane są przez rozmaite sztaby zarządzania kryzysowego, w górnictwie, w rolnictwie do monitoringu nawodnienia gleby i wzrostu roślin, do monitorowania stanu lasów, analizowania zmian zagospodarowania terenu, badań w jaki sposób rozwijają się miasta na przestrzeni lat, a także do badania przyczyn występowania osuwisk i deformacji terenu.

Przykład zastosowania technologii SAR

Precyzyjny monitoring niewielkich, długotrwałych osiadań na terenie stadionu piłkarskiego w Barcelonie.

Źródło: IEEE (www.ieee.org)

Źródło: IEEE (www.ieee.org)

Źródła:

  1. Blog naukowy AGH: http://www.agh.edu.pl/blog-naukowy/info
  2. www.satim.pl
  3. http://www.esa.int/pol/ESA_in_your_country/Poland
  4. http://www.jpl.nasa.gov/radar/sircxsar/
  5. http://www.rsi.ca/
  6. http://earth.esa.int/ers/
  7. http://envisat.esa.int/
  8. http://www.astrium-geo.com/terrasar-x/

Źródło fot. otwierające art.: DLR (www.dlr.de)

Autorzy: Stanisława Porzycka-Strzelczyk, Jacek Strzelczyk, Marek Jabłoński – SATIM Monitoring Satelitarny Sp. z o.o.