Artykuł o interferometrii radarowej nagrodzony

W Konkursie im. prof. Bolesława Krupińskiego nagradzane są teksty opublikowane na łamach „Przeglądu Górniczego” upowszechniające doświadczenia kopalń w zakresie działań skutkujących poprawą bezpieczeństwa górniczego i ekonomicznej efektywności eksploatacji złóż. W aktualnej edycji kapituła oceniała artykuły opublikowane w 2019 r.

Trzecim miejscem nagrodzono doktorantkę Karolinę Owczarz i dr hab. inż. Jana Blachowskiego, prof. uczelni z Katedry Górnictwa i Geodezji na Wydziale Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii PWr. Napisali oni artykuł na temat badań przemieszczeń powierzchni spowodowanych wstrząsami górniczymi z zastosowaniem satelitarnej interferometrii radarowej na przykładzie Legnicko-Głogowskiego Okręgu Miedziowego (LGOM). Tekst ukazał się w numerze 1/2019 „Przeglądu Górniczego”. Karolina Owczarz w ramach swojej pracy doktorskiej zajmuje się właśnie możliwościami stosowania tych technik pomiarów w sejsmiczności indukowanej (czyli aktywności związanej z trzęsieniami ziemi na danym terenie spowodowanej działalnością człowieka, m.in. górniczą). Prof. Blachowski jest promotorem doktorantki.

Satelitarna interferometria radarowa to obecnie powszechnie wykorzystywana technika monitorowania ruchów powierzchni Ziemi. Pozwala na pomiary dużych obszarów z dokładnością porównywalną do innych technik pomiarów geodezyjnych, a do tego z kosztem konkurencyjnym do nich. Bazuje na – jak wskazuje sama nazwa – satelitach okołoziemskich, które wyposażone w radar z transmitują w kierunku naszej planety fale elektromagnetyczne odpowiedniej długości oraz odbierają odbity od powierzchni Ziemi sygnał zawierający informacje niezbędne do określenia powstałych przemieszczeń.

W swoim artykule naukowcy z Politechniki Wrocławskiej przedstawili wyniki pomiarów z wykorzystaniem tej techniki i danych satelitarnych z misji Sentinel-1 do określenia wielkości i zasięgu zmian na powierzchni spowodowanych ingerencją człowieka w górotwór w trakcie prowadzenia działalności górniczej. Określili przemieszczenia powierzchni w linii widoczności satelity powstałe w wyniku wystąpienia trzech wstrząsów, do jakich doszło na terenie LGOM między grudniem 2017 r. a sierpniem 2018 r. (były to wstrząsy o magnitudzie od 3,9 do 4,8).

Do swoich obliczeń badacze wykorzystali metodę różnicowej satelitarnej interferometrii radarowej –DInSAR (Differential Interferometry SAR). Polega ona na tym, że wyznaczenie przemieszczeń następuje pomiędzy dwoma kolejnymi pozyskaniami obrazów radarowych tego samego obszaru. Sygnały zarejestrowane przez antenę odbiorczą mają informacje o amplitudzie i fazie, które w satelitarnej interferometrii radarowej są wykorzystywane do obliczenia geometrii pomiędzy położeniem satelity a obiektem na Ziemi. W oparciu o przestrzenne zależności geometryczne i odpowiednie algorytmy obliczeniowe można określić wartość przemieszczeń powierzchni.

Naukowcy wyliczyli, że w przypadku pierwszego wstrząsu z grudnia 2017 r. (magnituda 4,8) maksymalna wartość obniżenia powierzchni (w linii widoczności satelity) wyniosła ponad 8 cm, a deformacja objęła teren o powierzchni około 2,3 na 2,5 km. Z kolei wstrząs z lipca 2018 r. (magnituda 4,5) spowodował obniżenie terenu o maksymalnie 7 cm, a deformacja objęła obszar około 1,8 na 1,8 km. Przy trzecim ze wstrząsów (magnituda 3,9) badacze nie zidentyfikowali wyraźnego obszaru deformacji na powierzchni terenu.

Autorzy artykułu potwierdzili więc swoimi wynikami, że technika DInSAR umożliwia określenie przemieszczeń powierzchni spowodowanych wstrząsami wynikającymi z prowadzonej działalności górniczej.

– Zaletą tej metody jest to, że jest stosunkowo prosta i umożliwia obliczenie zmian zachodzących na powierzchni z dokładnością około jednego centymetra. Pozwala ona na szybkie pomiary na bardzo rozległych obszarach, co nie jest możliwe tradycyjnymi metodami geodezyjnymi, które jednak wymagają czasu. Dzięki niej możliwe są też pomiary „wstecz”, czyli sięgnięcie do danych z przeszłości i wykonanie na nich obliczeń – tłumaczy Karolina Owczarz. – Jej ograniczeniem jest natomiast, niemożliwy do całkowitego wyeliminowania, wpływ atmosfery na wyniki pomiarów. Jesteśmy jednak przekonani, że satelitarna interferometria radarowa może być traktowana jako technika uzupełniająca i rozszerzająca zakres danych dostarczanych przez służby geodezyjne zakładów górniczych wykorzystujących klasyczne techniki geodezyjne pomiarów powierzchni – dodaje.

Naukowcy z WGGiG podkreślają w swoim tekście także znaczenie faktu, że gromadzona systematycznie baza danych zobrazowań satelitarnych po ich przetworzeniu dostarcza informacji o miejscu i zasięgu deformacji w sytuacji, kiedy nie ma innej możliwości pozyskania takich danych, np. ze względu na nagły i niespodziewany charakter wydarzenia.

Autorzy artykułu zamierzają kontynuować swoje badania – planują przeanalizować zależności przestrzenne między lokalizacją deformacji a prowadzoną działalnością górniczą i budową geologiczną oraz wykorzystać metody satelitarnej interferometrii radarowej bazujące na przetwarzaniu serii zobrazowań radarowych takich jak SBAS (Small BAseline Subset) i PSInSAR (Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar).