Title: Kompleksowa analiza danych

Author: Zbigniew Perski

Citation style: Perski Zbigniew. (2010). Kompleksowa analiza danych. W: W. M. Zuberek, K. Jochymczyk (red.), "Geneza i charakterystyka zagrożenia sejsmicznego w Górnośląskim Zagłębiu Węglowym" (S. 41-44). Katowice : Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego

całego planowanego obszaru. Przeprowadzonorównież testy rozwijania fazy metodą bootstrap-ping, jednak uzyskano wówczas znacznie większebłędy dla obszarów sieci o słabym połączeniu.

Dla badanego obszaru otrzymano 883 punktyPSC, dla których uzyskano 2613 boków siatkitrójkątów. Na etapie przestrzennego rozwijania fazyodrzucono 544 boki, co stanowi 39,05%. Ostatecz-nie otrzymano 77 097 punktów PS. Po odrzuceniupunktów PS charakteryzujących się niską koheren-cją ostatecznie do analiz użyto 62 212 punktów. Ichrozkład przestrzenny i zakres deformacji przedsta-wiono na rys. 3.25.

3.2.5. Analiza dokładności wynikówuzyskanych dla obszaru GZW

W przypadku deformacji określanych na podsta-wie interferogramów dokładność pomiaru uzależ-niona jest od precyzji manualnego rozwijania fazyi waha się w granicach +/–52 mm/r. (0,5 cm/35dni). Należy podkreślić, że wykrywalne za pomocątej metody są jedynie obniżenia bezpośredniozwiązane z odbywającą się eksploatacją pod-ziemną. Górną granicą mierzalności deformacji jestprzyrost nachylenia skłonu niecki: jeśli przekroczyok. 1,5 mm/m, to deformacja taka spowoduje utratękoherencji (PERSKI, 2003).

W trakcie badań porównywano lokalizacje osia-dań stwierdzanych interferometrycznie z aktualną(na okres objęty interferogramem) pozycją frontuwydobywczego. Analizy takie prowadzono zgodniez mapami eksploatacji podziemnej lub na podsta-wie analizy danych interferometrycznych przezdziały mierniczo-geologiczne kopalń. Z danych po-chodzących z kopalń: „Katowice-Kleofas”, „Wu-jek”, „Polska-Wirek”, „Mysłowice”, „Halemba”,„Makoszowy”, „Bolesław Śmiały”, „Szczygłowice”i „Knurów”, wynika jednoznacznie, że wszystkiedeformacje określane interferometrycznie mająścisły związek z eksploatacją podziemną. Ponadtoprace prowadzone na obszarze LGOM (KRAWCZYK,PERSKI, 2000) potwierdziły ten związek.

W przypadku metody PSInSAR trudno jest jed-noznacznie zdefiniować dokładność. Najczęściejpodaje się, że dokładność wyznaczenia prędko-ści deformacji dla modelu liniowego wynosi ok.+/–1 mm/r. Trzeba jednak pamiętać, że wartości tesą względne zarówno w czasie, jak i w przestrzeni:w czasie — w stosunku do sceny obranej za refe-rencyjną, a w przestrzeni — w odniesieniu dopunktu obranego za referencyjny. Przyjmuje się, żedeformacja w punkcie referencyjnym równa się

zero. Założenie to ma ważne implikacje praktycz-ne, w przypadku bowiem gdy punkt ten wykazujerzeczywiste osiadanie, część punktów, w rzeczywi-stości stabilnych, w metodzie PSInSAR wykażepodnoszenie. Należy być zatem bardzo ostrożnymw interpretacji takiego właśnie „podnoszenia”. Dlakażdego z punktów PS liczone są tzn. residua, czy-li wielkości odstępstwa pojedynczych obserwacjiod modelu liniowego. Bardzo często informacje tesą niezwykle cenne, gdyż pokazują rzeczywistą de-formację punktu PS w czasie. Jeśli chodzi o resi-dua, to także należy być ostrożnym, gdyż ich wiel-kość zależny od tego, na ile dobrze został wyzna-czony obraz składowej atmosferycznej. Składowaatmosferyczna wyznaczana jest na podstawie przy-jętych a priori modeli atmosfery. Nieprawidłowookreślona (przeszacowana lub nieoszacowana) war-tość tej składowej może zatem wpłynąć na warto-ści poszczególnych residuów. Należy podkreślić,że najbardziej wiarygodną informacją uzyskiwanąmetodą PSInSAR jest prędkość deformacji. Oczy-wiście, jest ona wyznaczana dla tych punktów, któ-rych przebieg w czasie można zaproksymowaćfunkcją liniową. Dla obszaru GZW, gdzie bezpo-średnie wpływy eksploatacji są nieliniowe zarównow czasie, jak i w przestrzeni, nie uzyskuje się pra-widłowego obrazu deformacji. Dla obszarów, naktórych prowadzono wydobycie, nie otrzymanow ogóle punktów PS. Obraz deformacji był możli-wy jedynie na obrzeżach tych rejonów, czyli tam,gdzie jest on liniowy wskutek dużej odległości odprowadzonej eksploatacji.

3.3. Kompleksowa analiza danych

3.3.1. Analiza interferogramów

Na podstawie analizy interferogramów możnastwierdzić, że przestrzennie strefy występowa-nia osiadań układają się w dwa równoleżnikowepasy:— północny — obejmujący nieckę bytomską,— południowy — występujący w rejonie południo-

wego skrzydła siodła głównego.Oba pasy bardzo dobrze korelują ze strefowym

występowaniem wstrząsów górniczych. Jak jużwspomniano, występowanie stref obniżania na in-terferonach odpowiada rejonom prowadzonej eks-ploatacji, stąd wniosek, że pasowy układ stref osia-dania jest wynikiem prowadzonej w specyficznysposób eksploatacji. Rozmieszczenie eksploatacji

3.3. Kompleksowa analiza danych 41

6 — Geneza...

warunkowane jest natomiast następującymi czynni-kami:— budową geologiczną złoża: dostępność i zasob-

ność pokładów, tektonika złoża, warunki hydro-geologiczne;

— granicami obszarów górniczych i koncesji wy-dobywczych oraz obecnością infrastruktury gór-niczej, opłacalnością wydobycia;

— występowaniem obszarów wyeksploatowanych.Szczególnie ostatni z wymienionych czynników

tłumaczy fakt występowania obszaru stabilnegow samym centrum GZW, na obszarze siodła głów-nego. Eksploatacja na tym terenie została bowiemzakończona w latach 1940—1980, z uwagi na wy-eksploatowanie złoża. Zdaniem autora, splot trzechwymienionych czynników warunkuje istnienie pa-sowego występowania stref osiadania, a widocznakorelacja przestrzenna „pasów” z budową geolo-giczną jest sprawą wtórną, wynikającą z warunkówgórniczo-geologicznych eksploatacji. Stwierdzenieto nie wyklucza istnienia lokalnych anomalii pręd-kości osiadania, wywołanych wstrząsami górniczy-mi, uskokami, obecnością starych zrobów w nad-kładzie. Ich identyfikacja wymaga jednak szcze-gółowej analizy poszczególnych przypadkóweksploatacji na pojedynczych ścianach wydobyw-czych (KRAWCZYK i in., 2007; PERSKI, JURA, 2003).

Na obszarze badań analizie poddano otoczeniepunktów monitoringu GPS. Szczegółowo zanalizo-wano interferogramy obejmujące okres podobny doprowadzonych kampanii pomiarowych GPS.

Tabela 3.2. Interferogramy i pomiary GPS

Numer Daty interferogramu Satelita/ścieżka

Numerkampanii

GPS

Datakampanii

GPS

1 2.11.2004—11.01.2005 ES/143 I 25.11.2005

2 brak rejestracji — II 1.06.2006

3 brak rejestracji — III 16.11.2006

4 23.05.07—27.06.2007 ES/222 IV 01.06.2007

Jak wynika z tabeli 3.2, uzyskano dane interfe-rometryczne jedynie dla kampanii I i IV. Otrzyma-ne interferogramy generalnie prezentują stosunko-wo wysoką koherencję, przy czym jakość interfero-gramu dla kampanii I jest znacznie wyższa. Napodstawie interferogramów stwierdzono, że punktymonitoringu GPS o numerach 6 i 7 znajdowały sięna obszarze, na którym zachodziło obniżanie tere-nu spowodowane eksploatacją podziemną. Punkt 3znajdował się w rejonie eksploatacji w latach1995—2004.

W przypadku punktów 6 i 7 obniżenia stwier-dzane metodą InSAR dla okresu kampanii I miałydość znaczną wielkość — nawet ok. 1,5 mm/dzień.Dokładna wielkość nie jest znana ze względu na

niską koherencję. Dla kampanii IV w rejonie punk-tów również zachodziły ruchy obniżające o niezna-nej amplitudzie powierzchni 0,8 mm/dzień (słabakoherencja interferogramu).

Jeśli chodzi o punkty 4, 5 i 9, to nie stwierdzonowystępowania dużych przyrostów osiadania, jednakpunkt 5 może im podlegać z uwagi na bliskiesąsiedztwo aktywnego wydobycia (ok. 1 km w kie-runku SW). W świetle analizy InSAR punkty 4 i 9można uznać za stabilne, niepodlegające obecniebezpośrednim wpływom aktualnie prowadzonejeksploatacji.

W rejonie północnym punkty monitoringu GPSo numerach 1 i 2 należy uznać za stabilne. Punkt 3,podobnie jak punkt 5, leży w bezpośrednimsąsiedztwie aktywnego skłonu niecki osiadań (ok.1 km w kierunku NW). Punkt 3 znajdował się na-tomiast w rejonie objętym osiadaniem w latachdziewięćdziesiątych ubiegłego wieku.

Uzyskane punkty PS prezentują wielkości obli-czonej prędkości deformacji (mm/r.) przy założeniumodelu liniowego. Deformacja liczona jest wzglę-dem punktu referencyjnego. W analizowanym przy-padku punkt referencyjny leży w rejonie StadionuŚląskiego w Chorzowie (rys. 3.24), stąd stosunko-wo niewielka liczba punktów wykazujących podno-szenie. Z rozkładu przestrzennego wartości defor-macji liniowych wynika, że najstabilniejszym ob-szarem centralnej części GOP jest właśnie rejonChorzowa, z uwagi na zakończoną dosyć dawnoeksploatację podziemną.

Jak już wspomniano, dla obszaru GZW zakreszmierzonych metodą PSInSAR deformacji jestznacznie niższy aniżeli tych wykazywanych przezpomiary naziemne. Należy jednak zaznaczyć, żenie uzyskano punktów na obszarach, na którychodbywała się eksploatacja podziemna węgla (defor-macje nieliniowe). Z porównania rozmieszczeniaPS z interferogramami (rys. 3.25) jednoznaczniewynika, że algorytmy zastosowane w metodzie PSIobecnie nie nadają się do mierzenia deformacji po-chodzących od podziemnego wydobycia węgla ka-miennego.

Pomiary uzyskane metodą PS dobrze charakte-ryzują deformacje na terenach, na których eksploa-tacja górnicza została zakończona wiele lat temu,gdzie występujące nadal powolne deformacje mającharakter podobny do liniowego. Podczas inter-pretacji wyników z dużą ostrożnością należy trak-tować odizolowane, pojedyncze punkty położonewewnątrz kompleksów leśnych, gdyż w takichprzypadkach występują bardzo często błędy rozwi-jania fazy, wynikające ze słabej redundancji siecitrójkątów.

Przeprowadzono analizę porównawczą danychPSInSAR i GPS dla punktów monitoringu. Ponie-

42 3. Badania geodezyjne

waż metoda PSInSAR jako oportunistyczna nie po-zwala na zdefiniowanie położenia punktu pomiaro-wego, do celów porównawczych użyto najbliż-szych punktów PS. Z uwagi na fakt lokalizacjiniektórych punktów GPS na obszarach aktywnego

wydobycia porównanie było możliwe jedyniew przypadku niektórych punktów (2, 4, 5). Punkty1, 9 znajdują się poza obszarem opracowania PS,natomiast punkty 3, 6, 7, 8 — na obszarach obję-tych deformacjami nieliniowymi (rys. 4.26).

3.3. Kompleksowa analiza danych 43

Rys. 3.25. Rozmieszczenie punktów PS w stosunku do klasycznego interferogramu D-InSAR (17.08.1998—21.08.1998)Wyraźnie widoczny brak punktów PS na obszarach aktywnie prowadzonej eksploatacji w rejonach występowania prążków interferometrycznych

Rys. 3.26. Deformacje liniowe i residua PSInSAR dla punktów GPS 2, 4, 5. Analiza PSInSAR obejmuje lata 1995—2000

6*

Literatura

BOSY J., KONTNY B., CACOŃ S., 2006: The Earth crust surfacemovements in SW Poland from GPS and leveling data. Re-ports on Geodesy 76.

CATTABENI M., MONTI-GUARNIERI A., ROCCA F., 1994: Estima-tion and Improvement of Coherence in SAR Interferograms,International Geoscience and Remote Sensing Symposium,Pasadena, CA, USA, 8—12 August 1994, s. 720—722.

CZARNECKA K., 1988: Problemy interpretacji badań współcze-snych ruchów skorupy ziemskiej w Polsce. W: „Geodezja”.Z. 31. Warszawa, Politechnika Warszawska.

CZARNECKI K., 2004: Badania geodynamiczne pienińskiegopasa skałkowego w rejonie Czorsztyna. Warszawa, OficynaWydawnicza Politechniki Warszawskiej.

CZARNECKI K., MOJZES M., PAPCO J., WALO J., 2003: First re-sults of GPS measurements campaigns in Tatra Mountains.Reports on Geodesy 64.

FERRETTI A., PRATI C., ROCCA F., 2001: Permanent Scatterersin SAR Interferometry. IEEE Transactions on Geoscienceand Remote Sensing, 39(1), s. 8—20.

GÓRAL W., BANASIK P., MACIASZEK J., SZEWCZYK J., 2005: Ba-dawcza sieć geodynamiczna na obszarze wschodniej częściGórnośląskiego Zagłębia Węglowego. Kraków, AkademiaGórniczo-Hutnicza.

GÓRAL W., SZEWCZYK J., 2004: Zastosowanie technologii GPSw precyzyjnych pomiarach deformacji. Kraków, AkademiaGórniczo-Hutnicza.

KAMPES B.M., 2005: Displacement Parameter Estimationusing Permanent Scatterer Interferometry. Delft, the Net-herlands, Delft University of Technology.

KAMPES B.M., HANSSEN R.F., PERSKI Z., 2003: Radar Interfe-rometry with Public Domain Tools. Third InternationalWorkshop on ERS SAR Interferometry, ‘FRINGE03’,Frascati, Italy, 1—5 Dec 2003, s. 6.

KRAWCZYK A., PERSKI Z., 2000: Application of satellite radarinterferometry on the areas of underground exploitation ofcopper ore in LGOM — Poland, 11th International Con-

gress of the International Society for Mine Surveying. Kra-ków, Akademia Górniczo-Hutnicza, s. 209—218.

KRAWCZYK A., PERSKI Z., HANSSEN R., 2007: Application ofASAR interferometry for motorway deformation monito-ring. ESA ENVISAT Symposium, Montreux, Switzerland,23—27 April 2007.

PERSKI Z., 2000: Zastosowanie satelitarnej interferometrii ra-darowej do określania dynamiki i zasięgu górniczych de-formacji terenu na przykładzie wybranych obszarówGórnośląskiego Zagłębia Węglowego. Sosnowiec, WNoZUŚ [praca doktorska — niepublikowana], s. 9—40.

PERSKI Z., 2003: InSAR and POLinSAR for land subsidencemonitoring — a user perspective. Applications of SAR Po-larimetry and Polarimetric Interferometry. Frascati, ESA.

PERSKI Z., JURA D., 2003: Identification and measurement ofmining subsidence with SAR interferometry: potentials andlimitations. In: 11th International Symp. on DeformationMeasurements, Santorini, s. 165—171.

PERSKI Z., KETELAAR G., MRÓZ M., 2007: Interpretacja da-nych Envisat/ASAR o przemiennej polaryzacji na obsza-rach zurbanizowanych w kontekście charakterystykistabilnych rozpraszaczy (persistent scatterers). Arch. Foto-grametrii i Teledetekcji, 16, s. 467—482.

PERSKI Z., MRÓZ M., 2007: Zastosowanie metod interferome-trii radarowej InSAR do badania naturalnych ruchów po-wierzchni terenu w Polsce. Projekt GEO-IN-SAR. Arch.Fotogrametrii i Teledetekcji, 17, s. 613—624.

PRATI C., ROCCA F., 1994: Use of the spectral shift in SAR in-terferometry, Second ERS-1 Symposium-Space at the Servi-ce of our Environment, Hamburg, Germany, 11—14October 1993, s. 691—696.

ZEBKER H.A., GOLDSTEIN R.M., 1986: Topographic MappingFrom Interferometric Synthetic Aperture Radar Observa-tions. J. Geophys. Res., 91(B5), s. 4993—4999.

ZEBKER H.A., VILLASENOR J., 1992: Decorrelation in interfe-rometric radar echoes. IEEE Transactions on Geoscienceand Remote Sensing, 30(5), s. 950—959.

Zbigniew Perski

44 3. Badania geodezyjne