24.06.2022

Naukowcy z AGH chcą wykorzystać dane satelitarne do ostrzegania przed zapadliskami


Grafika przedstawia satelitę, który przelatuje na orbicie Ziemi. Poruszający się satelita emituje w kierunku błękitnego globu falę radarową, oznaczoną symbolicznie kolorem zielonym. Fala pozostawia za sobą po prawej stronie radarowy obraz powierzchni terenu, który oznaczony jest symbolicznie na widocznym fragmencie kuli ziemskiej.

Satelita radarowy Sentinel-1, fot. ESA/ATG medialab

Monitorowanie zapadlisk (ang. sinkholes) to wyzwanie nie tylko dla służb odpowiedzialnych za bezpieczeństwo ludności, ale też klimatologów. Te formujące się w trudno dostępnych rejonach arktycznych wyzwalają bowiem do atmosfery duże ilości gazów cieplarnianych. Uczeni z AGH chcą wykorzystać satelitarną interferometrię radarową (InSAR), żeby ostrzegać przed powstawaniem zjawiska, zanim stworzy bezpośrednie zagrożenie.

Mogą pochłaniać ludzi, samochody, a nawet całe budynki. Zapadliska powszechnie spotykane są w Stanach Zjednoczonych, gdzie według tamtejszych służb geologicznych do 40 proc. kraju leży na obszarze podatnym na ich powstawanie. Problem dotyczy też jednak wielu innych rejonów na Ziemi, nie wyłączając Europy. Za ich formowanie odpowiedzialna jest głównie woda, która rozpuszcza skały znajdujące się pod powierzchnią gleby (sól, gips, wapienie, dolomity), co prowadzi do nagłego zapadania się gruntu. Woda penetrująca osady może też tworzyć w skale od wewnątrz szczeliny i puste przestrzenie, które w wyniku stopniowej erozji rozszerzają się ku powierzchni. Wierzchnia warstwa gruntu może wówczas runąć pod własnym ciężarem, odkrywając dziurę w ziemi, która w szczególnych przypadkach osiąga spektakularne rozmiary.

Na pierwszym planie znajduje się duże zapadlisko uformowane na przydomowym trawniku. Na drugim planie widoczny jest jednopiętrowy dom w kolorze białym ze skośnym dachem w kolorze szarym.

Zapadlisko na przedmieściach Tampy na Florydzie, fot. U.S. Geological Survey

Działalność człowieka sprzyja powstawaniu zapadlisk

Powstawanie nieciągłych deformacji powierzchni terenu, jak zapadliska klasyfikują geolodzy, jest zjawiskiem o charakterze naturalnym. Może mu jednak sprzyjać działalność człowieka, np. intensywne nawadnianie upraw. Formowanie zapadlisk jest też częstym problemem na terenach, gdzie prowadzone są prace górnicze, kiedy nieeksploatowane wyrobiska i zlikwidowane szyby zalewa woda. Obydwa wymienione procesy zaburzają bowiem system wód gruntowych, których ciśnienie odgrywa istotną rolę w utrzymaniu równowagi w warstwach osadów. Naukowcy przewidują, że w najbliższym czasie trendy sprzyjające powstawaniu tego typu deformacji się zintensyfikują – susze spowodowane zmianami klimatu zwiększą zapotrzebowania na sztuczne nawadnianie upraw, zaś kopalnie będą wygaszane w związku z transformacją energetyczną. Coraz więcej ludzi stanie więc w obliczu zagrożenia, jakie zapadliska stanowią dla infrastruktury cywilizacyjnej oraz życia i zdrowia.

Monitorowanie nieciągłych deformacji terenu jest prowadzone przede wszystkim w oparciu o klasyczne metody geodezyjne (niwelacja, GNSS, LIDAR, tachimetria, metody georadarowe). Wymagają one jednak stacjonarnych pomiarów, które pozwalają na oszacowanie skali zjawiska post factum, bądź mogą być pomocne przy przewidywaniu prawdopodobieństwa jego wystąpienia. Nie dostarczają jednak informacji o tym, czy zdarzenie poprzedzają możliwe do zaobserwowania zmiany na powierzchni terenu bezpośrednio przed katastrofą. Mówiąc obrazowo: wiemy, że bomba wybuchła, ale brak nam wiedzy, kiedy zapłonął lont. – Z pomocą przychodzi w tej kwestii satelitarna interferometria radarowa (InSAR), która od 2014 roku wniosła nową jakość we wszystkie tematy związane z naukami o Ziemi. Dzięki misji radarowej Sentinel-1 realizowanej w ramach programu Copernicus zyskaliśmy otwarty dostęp do danych, które pozyskiwane są nawet z sześciodniową częstotliwością. Mamy zatem możliwość wykorzystania tych informacji w rejonach dotkniętych problemem zapadlisk. Analizując te dane satelitarne, możemy szukać w terenie sygnałów poprzedzających powstanie zapadliska, czyli tzw. prekursorów – wyjaśnia dr inż. Wojciech T. Witkowski z Wydziału Geodezji Górniczej i Inżynierii Środowiska AGH, członek międzynarodowej grupy badawczej Land Subsidence and Hazard Mitigation Group.

Na zdjęciu widoczny jest od pasa w górę młody mężczyzna o włosach w kolorze jasny blond, który ubrany jest w koszulę w kolorze beżowym pokrytą wzorami w kolorze brązowym. Mężczyzna uśmiecha się, siedząc przy biurku w kolorze brązowym, na którym stoją monitor komputerowy oraz laptop.

Dr inż. Wojciech T. Witkowski, fot. CKiM AGH

Satelita może uchwycić formowanie deformacji w terenie

Technika satelitarnej interferometrii radarowej InSAR (ang. Interferometric Synthetic Aperture Radar) polega na porównaniu ze sobą dwóch scen radarowych, które rejestrowane są przez satelitę podczas kolejnych przelotów nad tym samym obszarem. Odbity od powierzchni Ziemi sygnał posiada dwie składowe. Pierwsza to jego amplituda (moc), która związana jest z typem powierzchni, od której odbija się fala radarowa. Druga to odległość, jaką pokonuje sygnał, wyrażona przez wartości fazy. Interferometryczny obraz powierzchni terenu powstaje w oparciu o różnicę faz pomiędzy dwie rejestracjami. Interferogramy można wizualizować, a monitorowanie przemieszczeń terenu możliwe jest dzięki nim z dokładnością do pojedynczych milimetrów. Z racji na swoją precyzję, technologię wykorzystuje się m.in. do monitorowania skutków trzęsień ziemi, erupcji wulkanów czy osuwisk.

Grafika przedstawia interferogram, gdzie poszczególne elementy oznaczone są różnymi odcieniami koloru czerwonego, zielonego i niebieskiego

Inferferogram z obszaru Iranu obrazujący przesunięcia terenu po trzęsieniu Ziemi

Dr inż. Witkowski jest współautorem artykułu, w którym naukowcy wykazali zastosowalność technologii InSAR również w przypadku wykrywania prekursorów zapadlisk. Badacze szczegółowej analizie poddali 11 zapadlisk związanych z działalnością górniczą, które w latach 2003-2010 zarejestrowano w okolicach miasta Lędziny na Górnym Śląsku. Obserwacja archiwalnych zobrazowań satelitarnych Envisat dla obszarów, gdzie wystąpiły zjawiska, doprowadziła ich do ciekawych wniosków. – Oprócz liniowej prędkości ruchów w otoczeniu zapadliska, udało się zobaczyć przyspieszenie procesu deformacji. Te niewielkie, ale mierzalne wartości przyspieszenia do - 4,5 mm/rok^2  zostały zarejestrowane w pewnej strefie dookoła powstających zapadlisk. Uzyskaliśmy więc wyrażoną liczbowo informację, która opisuje zjawisko w trakcie jego formowania. To był sygnał, że idziemy we właściwym kierunku – mówi pracownik AGH.

System wczesnego ostrzegania przed katastrofalnymi zjawiskami

Obecnie dr inż. Witkowski chce wykorzystać zgromadzone doświadczenie w ramach nowego kierowanego przez siebie projektu, którego zadaniem jest stworzenie systemu wczesnego ostrzegania przed formującymi się zapadliskami w oparciu o informacje uzyskane dzięki technologii InSAR. Pierwszym krokiem do tego celu jest pozyskanie jak największej ilości różnorodnych danych. Oprócz okolic małopolskiej kopalni Olkusz-Pomorzany, uczeni z AGH chcą poddać analizie obszary, gdzie formowanie katastrofalnych zjawisk nie ma związku z górnictwem. Zamierzają m.in. przyjrzeć się rejonowi wybrzeża Morza Martwego, gdzie powstawanie zapadlisk spowodowane jest sukcesywnym obniżaniem się poziomu wody w tym zbiorniku.

Duża wagę naukowcy przykładają też do obszarów arktycznych, gdzie formowanie zapadlisk ma szczególną genezę. Ocieplanie się klimatu jest tam przyczyną rozmarzania wiecznej zmarzliny, wskutek czego w terenie powstają płytkie zagłębienia wypełnione wodą (ang. thermokarst). Nie tylko zmienia to dotychczasowy krajobraz Arktyki, ale budzi też troskę klimatologów. W trakcie tego procesu uwalniane są bowiem do atmosfery duże ilości dwutlenku węgla i metanu, czyli gazów potęgujących efekt cieplarniany. – Formowanie się tego typu zapadlisk z punktu widzenia obserwacji InSAR, czyli analizy pola przemieszczeń powierzchni terenu, będzie miało zupełnie inną charakterystykę. Interesuje nas, czy jesteśmy w stanie uchwycić powstawanie zjawiska używanymi przez nas metodami. Mamy nadzieję, że tak, bo dostęp do tych rejonów jest utrudniony. Bez danych teledetekcyjnych trudno uzyskać informację o miejscu wystąpienia i skali zjawiska – mówi kierownik projektu.

Na pierwszym planie widoczny jest ląd w kolorze brązowym widoczny z lotu ptaka, który usiany jest licznymi zapadliskami. Niektóre zapadliska wypełnione są wodą w kolorze lazurowym. Na drugim planie znajduje się widoczny fragment morza w kolorze błętkinym, który częściowo pokrywa kra lodowa w kolorze białym.

Zapadliska (thermokarst) na obszarze arktycznym Kanady obserwowane z lotu ptaka, fot. Steve Jurvetson CC BY 2.0

Naukowcy z AGH zamierzają wykorzystać kontakty ze służbami geologicznymi z Izraela i Kanady, które stykają się z opisanymi problemami na obszarach podlegających ich jurysdykcji.

Sztuczna inteligencja dostrzeże to, czego nie widzi człowiek

Dane uzyskane dzięki technologii InSAR uczeni chcą uzupełnić o historyczne obserwacje meteorologiczne z interesujących ich miejsc, w trakcie których rejestrowano temperatury powietrza, sumy opadów czy wilgotność gleby. Mają nadzieję, że dzięki temu uda się odkryć korelacje, które zwiększą naszą wiedzę o procesie formowania się katastrofalnych zjawisk.

Dokładna analiza tak ogromnego zbioru danych byłaby niezwykle czasochłonna, jeśli nie niemożliwa, do wykonania przez człowieka. Dlatego uczeni chcą zaprząc do pracy sztuczną inteligencję, która będzie przeczesywać stosy informacji, poszukując wzorców towarzyszących powstawaniu interesującego ich zjawiska. – Naszą rolą będzie ich właściwa interpretacja – wyjaśnia dr inż. Witkowski.

Naukowcy z AGH maja nadzieję, że wzorce ustalone w oparciu o analizę archiwalnych danych uda się zaimplementować w projektowanym przez nich systemie wczesnego ostrzegania przed zapadliskami. W takim automatycznym systemie sztuczna inteligencja poszukiwałaby ich w na bieżąco dostarczanych obserwacjach, a po dopasowaniu ostrzegała o zbliżającym się zagrożeniu.

Uczeni chcieliby też, aby nowe rozwiązanie zostało wykorzystane do monitorowania zapadlisk w trudno dostępnych rejonach arktycznych, co może pomóc w konstruowaniu doskonalszych modeli klimatycznych.

Projekt „Nowy algorytm wykrywania prekursorów zapadliska” został dofinansowany w ramach programu SONATA 17 realizowanego przez Narodowe Centrum Nauki.