DefSAR - deformacje podłoża gruntowego

DefSAR - Zintegrowany system monitoringu deformacji podłoża gruntowego z wykorzystaniem interferometrii radarowej trwałych reflektorów

Kierownik projektu: dr Dariusz Ziółkowski
Czas trwania: marzec 2014 - luty 2017

Konsorcjum realizujące projekt:
Instytut Geodezji i Kartografii (Lider projektu)
Warszawskie Przedsiębiorstwo Geodezyjne S. A.
Instytut Techniki Budowlanej

Głównym celem projektu jest opracowanie zintegrowanego systemu monitoringu deformacji podłoża gruntowego wykorzystującego metody satelitarnej interferometrii radarowej trwałych reflektorów PSInSAR, niwelacji precyzyjnej oraz pomiarów z permanentnych stacji GPS. Badania są prowadzone na obszarze Warszawy i okolic. Badaniom podlegają zarówno wielkoobszarowe ruchy całej Niecki Warszawskiej, jak również lokalne deformacje spowodowane budową linii metra oraz innych elementów infrastruktury.

W projekcie do badań metodami interferometrii radarowej wykorzystywanych jest ponad 300 obrazów mikrofalowych z satelitów ERS-1/2 zarejestrowanych w latach 1992 – 2010, ponad dwieście obrazów z satelity  Envisat z lat 2002 – 2010 zarejestrowanych z dziewięciu różnych orbit wstępujących i zstępujących, ponad 100 wysokorozdzielczych obrazów radarowych z satelitów CosmoSkymed z lat 2011 – 2016 , ponad 60 obrazów wysokorozdzielczych z satelity TerraSAR-X z lat 2011-2012 i 2016-17 oraz satelity Sentinel-1 z lat 2015 – 2017.

Do bezwzględnej georeferencji wyników PSInSAR oraz ich walidacji w skali wielkoobszarowej wykorzystano pomiary z permanentnych stacji GNSS. Do oceny dokładności lokalnej proponowanego rozwiązania wykorzystano bardzo dużą bazę pomiarów przeprowadzonych metodą niwelacji precyzyjnej, na którą składały się zarówno pomiary archiwalne, jak również pomiary przeprowadzone specjalnie na potrzeby realizowanego projektu. Określenie lokalnych i regionalnych deformacji podłoża było interpretowane w kontekście budowy geologicznej obszaru badań oraz wpływu obiektów infrastruktury technicznej na podłoże gruntowe.

Opracowane w ramach projektu mapy deformacji gruntu wykazały obecność szeregu deformacji o charakterze hydrologicznym oraz lokalnych deformacji związanych z poszczególnymi inwestycjami budowlanymi. Zaliczyć do nich można między innymi deformacje związane z budową centralnego odcinka II linii metra (w tym silnie nieliniowe deformacje związane z przejściem tarczy TBM), osiadanie Stadionu Narodowego, Centrum Nauki Kopernik oraz wielu innych nowo powstałych biurowców i apartamentowców. Deformacje te z reguły nie są większe niz ok. 1 cm na /rok.

Poniższa mapa deformacji Centrum warszawy Warszawy opracowana na podstawie danych Cosmo-SkyMed obejmuje swym zasięgiem część ze wspomnianych wyżej deformacji, w szczególności tych zachodzących w okresie budowy centralnego odcinka II linii metra.

Rys. 1. Deformacje terenu na podstawie danych Cosmo-SkyMed. Widoczne między innymi deformacje wzdłuż linii budowy centralnego odcinka II linii metra, Stadionu Narodowego i Centrum Nauki Kopernik. Z lewej strony obrazu widoczna duża deformacja ograniczona ulicami: Marszałkowską, Alejami Jerozolimskimi i Szpitalną. Osiadanie w tym obszarze zachodziło w okresie od sierpnia 2012 roku do stycznia 2013, pokrywającym się z okresem budowy centralnego odcinka II linii metra.

Również mapy deformacji terenu wygenerowane z obrazów TerraSAR-X wykazuja szereg deformacji zarówno o charakterze hydrologicznym, jak również będących wynikiem powstawania nowej infrastruktury budowlanej.

Rys. 2. Mapa średniej deformacji na rok dla fragmentu Warszawy w okresie od lipca 2011 roku do września 2012 roku na podstawie danych TerraSAR-X, rozdzielczość terenowa 3m, czestotliwość rejestracji co 8 dni.

Przykładowe wyniki walidacji prowadzonej pomiarami niwelacji precyzyjnej, obejmujące charakterystyczne dla tego obszaru rodzaje deformacji zaprezentowano na wykresach poniżej. Dla danych Cosmo-SkyMed uzyskano dokładności pojedynczych pomiarów w granicach 2-3 mm, natomiast w przypadku danych TerraSAR-X dokładność dochodział nawet do 0,2 – 0,3 mm.

Rys. 3. Deformacje terenu związane z przejściem tarczy TBM pod ulicą Bartosiewicza, na podstawie danych Cosmo-SkyMed oraz niwelacji precyzyjnej.

Rys. 4. Deformacje terenu w trakcie budowy stacji Świętokrzyska zlokalizowanej w obrębie Centralnego odcinka II linii metra, na podstawie danych Cosmo-SkyMed oraz niwelacji precyzyjnej.

Rys. 5. Deformacje w sąsiedztwie Domu Towarowego Smyk na podstawie danych TerraSAR-X i niwelacji precyzyjnej.

Rys. 6. Deformacje w sąsiedztwie stacji Dworzec Wileński na podstawie danych TerraSAR-X i niwelacji precyzyjnej.

Również pomiary z permanentnych stacji GNSS wykazują dużą zgodność wyników interferometrycznych z pomiarami referencyjnymi dotyczy to zarówno danych wysokorozdzielczych jak i średniorozdzielczych. Poniżej zaprezentowano wyniki walidacji produktów TerraSAR-X i Sentinel-1 za pomocą permanentnych pomiarów GNSS dla deformacji zachodzących pomiędzy stacjami zlokalizowanymi w Józefosławiu i na budynku Centrum Badań Kosmicznych. Wysoka zgodność obu typów całkowicie niezależnych pomiarów pozwoliła wykazać, że obserwowana w danych GNSS średniookresowa zmienność względnej wysokości pomiędzy stacjami, której wartości w tym przypadku znajdują się poniżej dokładności pomiarów prowadzonych metodami GNSS, nie jest szumem a realną deformacją wynikającą głównie ze zmian hydrologicznych.

Rys. 7. Dokładność wyznaczenia deformacji terenu metodą interferometrii radarowej trwałych reflektorów zweryfikowana pomiarami z permanentnych stacji GNSS na odcinku Józefosław – Centrum Badań Kosmicznych PAN; żółte punkty oznaczają pomiary interferometryczne, linia ciągła – uśrednione tygodniowe rozwiązania GNSS, skala pionowa w milimetrach.

Rys. 8. Względne deformacje wysokości uzyskanych z danych GNSS (rozwiązania tygodniowe) oraz z techniki PSInSAR z obrazów Sentinel-1.



Poster podsumowujący wyniki projektu DefSAR. Opracowanie: IGiK