Mapping of slow vertical ground movement caused by salt cavern convergence with Sentinel-1 tops data

• Autorzy: Malinowska A. , Hejmanowski R. , Witkowski W. T. , Guzy A.

Identyfikatory

DOI

10.24425/122453

Warianty tytułu

PL

Monitoring powolnych ruchów powierzchni terenu wynikających z konwergencji komór solnych przy wykorzystaniu zobrazowań radarowych z misji Sentinel 1

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The geodetic measurements optimization problem has played a crucial role in the mining areas affected by continuous ground movement. Such movements are most frequently measured with the classical geodetic methods such as levelling, tachymetry or GNSS (Global Navigation Satellite System). The measuring techniques are selected with respect to the dynamics of the studied phenomena, surface hazard degree, as well as the financial potential of the mining company. Land surface changes caused by underground exploitation are observed with some delay because of the mining and geological conditions of the deposit surroundings. This delay may be considerable in the case of salt deposits extraction due to slow convergence process, which implies ground subsidence maximum up to a few centimeters per year. Measuring of such displacements requires high precision instruments and methods. In the case of intensely developed urban areas, a high density benchmark network has to be provided. Therefore, the best solution supporting the monitoring of vertical ground displacements in the areas located above the salt deposits seems to be the Sentinel 1-A radar imaging satellite system. The main goal of the investigation was to verify if imaging radar from the Sentinel 1 mission could be applied to monitor of slow ground vertical movement above word heritage Wieliczka salt mine. The outcome of the analysis, which was based on DInSAR (Differential SAR Interferometry). technology, is the surface distribution of annual subsidence in the period of 2015-2016. The comparison of the results with levelling confirmed the high accuracy of satellite observations. What is significant, the studies allowed to identify areas with the greatest dynamics of vertical ground movements, also in the regions where classical surveying was not conducted. The investigation proved that with the use of Sentinel-1 images sub centimeters slow vertical movements could be obtained.

PL

Problem optymalizacji pomiarów geodezyjnych na obszarach poddanych wpływom ciągłych deformacji powierzchni terenu wciąż stanowi wyzwanie. Pomiary ruchów powierzchni na terenach górniczych najczęściej wykonywane są przy wykorzystaniu klasycznych metod geodezyjnych takich jak niwelacja, tachimetria czy pomiary GNSS. Technika pomiarowa jest dobierana w odniesieniu do dynamiki zjawiska, stopnia zagrożenia powierzchni terenu i potencjału finansowego, którym dysponuje zleceniodawca. Przekształcenia powierzchni terenu obserwowane są z pewnym opóźnieniem w stosunku do czasu prowadzenia wydobycia. Opóźnienie to wynika m.in. z warunków górniczo-geologicznych otoczenia złoża i jest zdecydowanie największe w przypadku prowadzenia wydobycia soli. Powolna konwergencja podziemnych wyrobisk powoduje osiadania powierzchni terenu dochodzące maksymalnie do kilku centymetrów rocznie. Pomiar tego typu deformacji wymaga wysokiej precyzji, a w przypadku intensywnego zagospodarowania powierzchni terenu również znacznej gęstości sieci pomiarowej. Dlatego też, optymalnym rozwiązaniem wydaje się być wykorzystanie zobrazowań radarowych satelity Sentinel 1-A jako metody wspierającej monitoring przemieszczeń pionowych powierzchni terenu na terenach znajdujących się nad złożem solnym. Prezentowane badania dotyczyły analizy możliwości wykorzystania zobrazowania satelitarnego pochodzącego z misji Sentinel dla wsparcia monitoringu deformacji powierzchni terenu na obszarze miasta Wieliczka na bazie technologii DInSAR. Wynikiem przeprowadzonych analiz jest powierzchniowy rozkład rocznych przyrostów osiadań w okresie 2015-2016 nad konwergującymi wyrobiskami górniczymi. Otrzymane wyniki, poddane analizie dokładnościowej poprzez ich porównanie z pomiarami geodezyjnymi realizowanymi na liniach obserwacyjnych, potwierdziły bardzo wysoką dokładność pomiarów satelitarnych. Prowadzone badania pozwoliły na wyłonienie rejonów o największej dynamice ruchów pionowych, również w strefach, w których klasyczne pomiary geodezyjne nie są prowadzone.

Słowa kluczowe

PL

InSAR; DInSAR; Sentinel 1; powolne osiadanie powierzchni terenu; kopalnia soli

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 63, no. 2
• Strony: 383--396
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Malinowska A.

• AGH University of Science and Technology, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Hejmanowski R.

• AGH University of Science and Technology, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Witkowski W. T.

• AGH University of Science and Technology, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Guzy A.

• AGH University of Science and Technology, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Abdikan S., Arikan M., Sanli F. B., Cakir Z., 2014. Monitoring of coal mining subsidence in peri-urban area of Zonguldak city (NW Turkey) with persistent scatterer interferometry using ALOS-PALSAR. Environmental Earth Science, 4081-4089.
• [2] Brudnik K., Czop M., Motyka J., d’Obyrn K., Rogoż M., Witczak S., 2010. The complex hydrogeology of the uniqe Wieliczka Salt Mine. Przegląd Geologiczny, 787-796.
• [3] Chang L., Hanssen R., 2014. Detection of cavity migration and sinkhole risk using radar interferometric time series. Remote Sensing of Environment, 56-64.
• [4] d’Obyrn K., Wiewórka W., 2012. Selection of backfilling technology works in the Ksawer chambers complex ot the Wieliczka Salt Mine. AGH Journal of Mining and Geoengineering, 107-115.
• [5] Epanechnikov V.A., 1969. Non-parametric estimation of a multivariate probability density. Theory of Probability and its Applications 14, 153-158. doi:10.1137/1114019.
• [6] European Space Agency, 2017. Retrieved from www.eas.int.
• [7] Galloway D. L., Hoffmann J., 2007. The application of satellite differential SAR interferometry – derived ground displacements in hydrogeology. Hydrogeology Journal, 133-154.
• [8] Garlicki A., Szybist A., 1995. General assumptions for the protection of the Wieliczka Salt Mine and a new image of geological deposits of Wieliczka (in Polish) (unpublished).
• [9] Greif V., Vlcko J., 2012. Monitoring of post-failure landslide deformation by the PS-InSAR technique at Lubietova in Central Slovakia.Environmental Earth Sciences, 1589-1595.
• [10] Hanssen R.F., 2001. Radar Interferometry: Data Interpretation and Error Analysis. Dordrecht, Kluwer Academic Publishers, ISBN: 0-7923-6945-9.
• [11] Hwałek S., 1971. Górnictwo soli kamiennych i potasowych. Wydawnictwo Śląsk, Katowice.
• [12] Kleczkowski A.S., 1993. Groundwater in the vicinity of Cracow – potential threats (in Polish). Archiwum Katedry Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej AGH, Kraków.
• [13] Krawczyk A., Perski Z., 2010. Use experience of technology InSAR for mining terrains deformation monitoring. Przegląd Górniczy, 150-155.
• [14] Lazecky M., Jirankova E., Kadlecik P., 2017. Multitemporal monitoring of Karvina subsidence using Sentinel-1 and TerraSAR-X Interferometry. Acta Geodynamica et Geomaterialia, 53-59.
• [15] Lazecký M., Jiránková E., Rapant P., Bláha P., 2012. Monitoring of subsidence in Karviná Mining Region using InSAR methods. International Journal of EGRSE, 2012/1, 19-40. Online: http://www.caag.cz/egrse/2012-1/03_lazecky-r.pdf.
• [16] Majmudar T.J., 2013. Geomorphological characteristics identification from remote sensing along with surface temperature anomaly and SAR interferometry – related studies and their correlation with earthquake occurrences in Gujarat. Natural Hazards, 729-747.
• [17] Milczarek W., Blachowski J., Grzempowski P., 2017. Application of PS InSAR for Assesment of Surface Deformations in Post-Mining Area – Case Study of the Former Walbrzych Hard Coal Basin (SW Poland). Acta Geodynamica et Geomaterialia, 41-52.
• [18] Ozawa T., Kozono T., 2013. Temporal variation of the Shinmoe-dake crater in the 2011 eruption revealed by spaceborne SAR observations. Earth, Planet and Space, 527-537.
• [19] Perski Z., Hanssen R.F., Wójcik A., Wojciechowski T., 2009. InSAR analyses of terrain deformation near the Wieliczka Salt Mine, Poland. Engineering Geology, 58-67.
• [20] Perski Z., Wojciechowski T., Borkowski A., 2010. Persistent Scatterrer SAR interferometry applications on landslides in Carpathians (Southern Poland). Acta Geodynamica et Geomaterialia, 363-369.
• [21] Rucci A., Ferretti A., Guarnieri A.M., Rocca F.,2012. Sentinel 1 SAR interferometry applications : The outlook for sub millimeter measurement. Remote Sensing of Environment 120,156-163.
• [22] Rosenblatt M., 1956. Remarks on Some Nonparametric Estimates of a Density Function. The Annals of Mathematical Statistics 27, 3, 832-837.
• [23] Scott D.W., Terrell,G.R., 1987. Biased and unbiased cross-Validation in density estimation. Journal of the American Statistical Association 82, 400, 1131-1146.
• [24] Sentinel-1 User Handbook, 2013. European Space Agency.
• [25] Sowter A., Bin M., Amat C., Cigna F., Marsh S., Athab, A., 2016. Mexico City land subsidence in 2014-2015 with Sentinel-1 IW TOPS: Results using the Intermittent SBAS (ISBAS) technique. International Journal of Apllied Earth Observations and Geoinformation, 230-242.
• [26] Szczerbowski Z. Piątkowska A., 2015. Towards data integration and analysis in the detection of terrain surface deformation in the case of Inowroclaw Salt Dome.Geomatics and Environemntal Engineering, 85-100.
• [27] Ulmaniec P., Stawarczyk Z., 2016. Archival maps and geodetic measurements.The Measurement and Geology Department. Wieliczka Salt Mine (unpublished).
• [28] Wasowski J., Lamanna C., Graniczny M., Kowalski Z., Czarnogórska M., Wójcik A., Nutricato R., 2009. Subsidence and landslide processes in the Wieliczka area (Poland): insights from PSI and ground data integration. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 164-172.
• [29] Yague-Martinez N., Prats-Iraola P., Rodriguez Gonzalez F., Brcic R., Shau R., Geudtner D., Bamler R., 2016. Interferometric Processing of Sentinel-1 TOPS Data. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2220-2234.
• [30] Yerro A., Corominas J., Monells D., Mallorqui J.J., 2013. Analysis of the evolution of ground movements in a low densely urban area by means of DInSAR technique. Engineering Geology, 52-65.
• [31] Zebker H.A., 2003. Prospecting for horizontal surface displacements in Antelope Valley, California using satellite radar interferometry. Journal of Geophysical Research, 121-130.
• [32] Zebker H.A., Rosen P.A., Hensley S., 1997. Atmospheric effects in interferometric synthetic aperture radar surface deformation and topographic maps. Journal of Geophysical Research 102, 7547-7563.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018)