Application of SAR data for the monitoring of ground deformations caused by mining activities in the area of the upper Silesian Coal Basin : the results of DORIS project (EC-FP7)

Abstract

W artykule zaprezentowano wykorzystanie metod interferometrii satelitarnej (PSInSAR i DInSAR) dla obserwacji deformacji powierzchni terenu na obszarze Górnośląskiego Zagłębia Węglowego (GZW). Prezentowane wyniki zostały pozyskane w trakcie realizacji projektu DORIS (ECFP 7, Grant Agreement n. 242212, www.doris-project.eu). Większość satelitarnych danych interferometrycznych przetworzono w wyspecjalizowanej firmie Tele – Rilevamento Europa – T. R. E, we Włoszech. Dane te pochodziły z różnych satelitów, takich jak: ERS 1 i 2, ENVISAT, ALOS- PALSAR oraz TerraSAR-X i objęły trzy pasma zakresu widma mikrofal (SAR): L, C oraz X. Archiwalne dane pasma C z satelitów Europejskiej Agencji Kosmicznej objęły obserwację przemieszczeń powierzchni terenu w okresie od 1992 do 2010, w dwóch oddzielnych pakietach danych z przedziałów czasowych 1992÷2000 oraz 2003÷2010. Jako obszary testowe dla obserwacji przemieszczeń na terenach zamkniętych kopalń wybrano Kopalnie Węgla Kamiennego „Sosnowiec” i „Saturn”, które zakończyły działalność w 1995 i 1997 r. Pomimo bieżącego wypompowywania wód z zamkniętych kopalni ich poziom podniósł się o kilkadziesiąt metrów. W związku z powyższym, wskutek zmian ciśnienia piezometrycznego i jego oddziaływania na górotwór zaobserwowano podnoszenie powierzchni terenu. Analiza danych z pasm L i X pozwoliła z kolei na śledzenie w ciągu kilku miesięcy przebiegu zmian podziemnego frontu robót, który odzwierciedlał się na powierzchni terenu, na przetworzonych zobrazowaniach radarowych. Analizę taką przeprowadzono w rejonie KWK „Halemba-Wirek”. Najbardziej efektywne w tym zakresie okazały się wysoko rozdzielcze dane TerraSAR-X, przetwarzane przy pomocy algorytmu SqueeSAR. Serie czasowe PS pasma X pomogły zidentyfikować bardzo niewielkie przemieszczenia, natomiast uzupełniające dane na temat większych przemieszczeń (w zakresie kilkudziesięciu centymetrów) można było uzyskać dzięki analizie prążków interferometrycznych. Uzyskane rezultaty dowiodły, że przemieszczenia powierzchni terenu w rejonie zamkniętych kopalń zachodzą bardzo długo i znacznie przekraczają okres 5 lat, który oficjalnie uznawany jest za granicę bezpieczeństwa i dopuszczają dowolne zagospodarowanie tych obszarów.The application of satellite interferometric methods (PSInSAR and DInSAR) for observations of ground deformations in the Upper Silesian Coal Basin (Southern Poland) is the subject of this paper. The presented results were obtained during implementation of the DORIS project (EC FP7, Grant Agreement n. 242212, www.doris-project.eu). Several InSAR datasets were analysed in this area. Most of them were processed by Tele-Rilevamento Europe - T.R.E. s.r.l. Italy. The sets of data came from different SAR satellites: ERS 1 and 2, ENVISAT, ALOS- PALSAR and TerraSAR-X and cover three different SAR bands (L, C and X). Archival data from C-band European Space Agency satellites ERS and ENVISAT, allowed to obtain information on ground movement from 1992 to 2010 in two separate datasets (1992-2000 and 2003-2010). As an example of ground motion upon inactive mining areas, two coal mines were selected: Sosnowiec and Saturn where exploitation of coal mine stopped in 1995 and 1997, respectively. Despite of well pumping after the closure of the mines, underground waters returned to the natural horizon, raising up several dozen meters; the high permeability of hydrogeological subregion and an insufficient water withdrawal from the abandoned mines. The analysis of interferometric L and X-band data in the Upper Silesia has enabled observation and monitoring of the underground mining front in a period of several months. It was indicated at the example from Halemba-Wirek coal mine. The analysis of the TerraSAR X dataset, processed by SqueeSAR algorithms proved to be the most effective for this purpose. X-band PSI time series can help to identify small, seemingly, negligible movements and are successfully supplemented by fringes when a displacement becomes significant. The obtained results on ground deformation proved that ground motion above the abandoned mines continues long after their closure. Therefore, the existing regulations stating that abandoned mines are considered as fully safe, in five years after mine closure, should be changed. Moreover, it should be emphasized that constructions in these area should be avoided as potential risk exists