Χρήση του Sentinel-1 DInSAR για την παρακολούθηση ενεργών κατολισθήσεων σε κρίσιμες υποδομές
Από RemoteSensing Wiki
Αντικείμενο Εφαρμογής: Χρήση του Sentinel-1 DInSAR για την παρακολούθηση ενεργών κατολισθήσεων σε κρίσιμες υποδομές: Η περίπτωση της τεχνητής λίμνης Rules (Νότια Ισπανία)
Πρωτότυπος Τίτλος: 'Sentinel-1 DInSAR for Monitoring Active Landslides in Critical Infrastructures: The Case of the Rules Reservoir (Southern Spain)'
Συγγραφείς: Cristina Reyes-Carmona(1), Anna Barra(2) , Jorge Pedro Galve(1), Oriol Monserrat(2), José Vicente Pérez-Peña(1),(3), Rosa María Mateos(4), Davide Notti(5) , Patricia Ruano(1),(6), Agustín Millares(7), Juan López-Vinielles(4),(8) and José Miguel Azañón(1),(6)
(1) Departamento de Geodinámica, Universidad de Granada, Avenida del Hospicio s/n, 18010 Granada, Spain (2) Geomatics Division, Centre Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC), Avinguda Carl Friedrich Gauss 7, 08860 Castelldefels, Spain (3) Instituto Andaluz de Geofísica, Calle del Profesor Clavera 12, 18071 Granada, Spain (4) Geohazards InSAR Laboratory and Modelling Group (InSARlab), Geoscience Research Department, Geological Survey of Spain (IGME), Calle de Ríos Rosas 23, 28003 Madrid, Spain (5) Italian National Research Council, Research Institute for Geo-Hydrological Protection (CNR-IRPI), Strada delle Cacce 73, 10135 Torino, Italy (6) Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (IACT-CSIC), Avenida de las Palmeras 4, 18100 Armilla, Granada, Spain (7) Instituto Interuniversitario de Investigación del Sistema Tierra en Andalucía (IISTA), Avenida del Mediterráneo s/n, 18006 Granada, Spain (8) HEMAV SL, Carrer d’Esteve Terrades 1, 08860 Castelldefels, Spain
Πηγή: Remote Sens. 2020, 12(5), 809 (1)
Λέξεις Κλειδιά: DInSAR, Sentinel-1, Aσφάλεια ταμιευτήρων, Kατολισθήσεις, Γεωμορφολογική Χαρτογράφηση, Τηλεπισκόπηση
Περίληψη: Οι κατολισθήσεις σε περιβάλλον ταμιευτήρα είναι ένας καλά αναγνωρισμένος κίνδυνος που μπορεί να οδηγήσει σε επικίνδυνες καταστάσεις σχετικά με τις υποδομές και την ασφάλεια των ανθρώπων. Η συμβολομετρία ραντάρ μέσω δορυφόρου αποδεικνύεται αξιόπιστη μέθοδος παρακολούθησης της δραστηριότητας κατολισθήσεων σε τέτοια περιβάλλοντα. Η ανάλυση DInSAR (Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar) των εικόνων Sentinel-1, αποτελεί παράδειγμα της χρησιμότητας της τεχνικής, για την αναγνώριση και την παρακολούθηση κατολισθήσεων στον ταμιευτήρα της λίμνης Rules (Νότια Ισπανία). Η ενσωμάτωση των αποτελεσμάτων του DInSAR με μια ολοκληρωμένη γεωμορφολογική μελέτη επιτρέπει την κατανόηση της τυπολογίας, την εξέλιξη και τους παράγοντες ενεργοποίησης των τριών ενεργών κατολισθήσεων: Lorenzo-1, Rules Viaduct και El Arrecife. Γίνεται δυνατή η διάκριση μεταξύ περιστροφικής και επίπεδης κατολίσθησης και επομένως, η αξιολόγηση των πιθανών κινδύνων που σχετίζονται με αυτές τις τυπολογίες, δηλαδή την παλινδρομική ολίσθηση (κατολισθήσεις Lorenzo-1 και Rules Viaduct) ή την καταστροφική αστοχία πλαγιάς (El Arrecife Landslide), αντίστοιχα. Παρατηρείται επίσης πώς οι αλλαγές στη στάθμη του νερού του ταμιευτήρα επηρεάζουν τη συμπεριφορά της κατολίσθησης. Επιπλέον, γίνεται δυνατή η παρακολούθηση της σταθερότητας του φράγματος Rules καθώς και να εντοπίσουμε την παραμόρφωση μιας οδογέφυρας του εθνικού οδικού δικτύου που διασχίζει ένα κλάδο του ταμιευτήρα. Τελικά, είναι σημαντικό να εφαρμοστούν άλλες τεχνικές για τη συνέχιση της παρακολούθησης των κινήσεων, ειδικά στην κατολίσθηση του El Arrecife, προκειμένου να αποφευχθούν μελλοντικές δομικές ζημιές και θάνατοι.
Αντικείμενο μελέτης: Μετά τα εγκαίνια του Ταμιευτήρα της λίμνης Rules το 2004, το βόρειο άκρο της οδογέφυρας Rules αστοχεί λόγω κάμψης κατά την κατασκευή του το 2006. Πραγματοποιήθηκε ενίσχυση των θεμελίων των κατεστραμμένων βάθρων της οδογέφυρας και η υποδομή (επομένως και το συγκεκριμένο τμήμα A-44 του εθνικού δικτύου) εγκαινιάστηκε το 2009. Σύμφωνα με τις πληροφορίες που παρείχε το ισπανικό Υπουργείο Δημοσίων Έργων και Μεταφορών, αυτό το τμήμα αυτοκινητόδρομου απαιτούσε επένδυση 14 εκατομμυρίων ευρώ ανά χιλιόμετρο, που είναι το πιο ακριβό τμήμα αυτοκινητόδρομου που κατασκευάστηκε ποτέ στην Ισπανία. Μόλις 4 χρόνια αργότερα, τον Αύγουστο του 2013, το Υπουργείο Δημοσίων Έργων και Μεταφορών ανέφερε προβλήματα αστάθειας στο βόρειο ανάχωμα της οδογέφυρας και τα απαιτούμενα προς επισκευή έργα κόστισαν 19 εκατομμύρια ευρώ. Τα έργα αφορούσαν την αντικατάσταση του αναχώματος με μια πρόσθετη σύμμικτη οδογέφυρα από χάλυβα και σκυρόδεμα, την κατασκευή πλευρικών πασσάλων συγκράτησης και έναν επιπλέον πάσσαλο πλησιέστερα στις στηρίξεις. Η οδική κυκλοφορία μεταφέρθηκε προσωρινά στην εθνική οδό N-323, η οποία απαιτούσε επίσης σημαντικές επισκευές (εκτιμάται σε 3,8 εκατομμύρια ευρώ) λόγω της υποβάθμισής της. Οι διακυμάνσεις της στάθμης του νερού επισημάνθηκαν ως ο κύριος λόγος για τα ζητήματα μακροπρόθεσμης αστάθειας στη δεξαμενή. Τέλος, η οδογέφυρα εγκαινιάστηκε ξανά το 2015 και μέχρι σήμερα δεν έχει αναφερθεί κανένα άλλο πρόβλημα. Παρά αυτά το ιστορικό, δεν δημοσιεύθηκαν πληροφορίες σχετικά με τη δραστηριότητα της επίγειας αστάθειας στην περιοχή της λίμνης Rules μέχρι τους Lackezy et al. 2016. Αυτή η μελέτη αναδεικνύει τις δυνατότητες του InSAR για την ανίχνευση κινήσεων πλαγιών που επεξεργάστηκε αρκετές ενεργές κατολισθήσεις από διαφορετικές περιοχές παγκοσμίως, συμπεριλαμβανομένου ενός τομέα της περιοχής του ταμιευτήρα της λίμνης Rules. Οι συγγραφείς επεξεργάστηκαν τις εικόνες ENVISAT και Sentinel-1, εντοπίζοντας αρκετές περιοχές με ενεργές κινήσεις, αλλά δεν οριοθέτησαν καμία περίμετρο ενός συρόμενου σώματος ούτε ανέπτυξαν περαιτέρω έρευνα σχετικά με τις πλαγιές του ταμιευτήρα της λίμνης Rules.
Περιοχή μελέτης: Ο ταμιευτήρας της λίμνης Rules βρίσκεται στη μέση της διαδρομής του ποταμού Gualdalfeo στη συμβολή του με τον ποταμό Ízbor, στην επαρχία της Γρανάδας (Νότια Ισπανία) (Εικόνα 1). Η δεξαμενή προβλεπόταν αρχικά να έχει μέγιστη αποθήκευση νερού 117 hm3 και πλημμυρισμένη περιοχή 3,08 km2. Συλλέγει νερό από τη Sierra de Lújar, τη Sierra de los Guájares και τις νότιες πλαγιές του δυτικού άκρου της Sierra Nevada (Εικόνα 1). Το Φράγμα Rules είναι ένα φράγμα ύψους 118 μ. που βρίσκεται στο νότιο άκρο του ταμιευτήρα (Εικόνα 1). Η κατασκευή του φράγματος αποτελείται από δονούμενο σκυρόδεμα με ακτίνα καμπύλης 500 μέτρων. Η δεξαμενή προβλεπόταν αρχικά για τους ακόλουθους σκοπούς: άρδευση (40%), παροχή σε οικιστικές υποδομές στην ακτή (19%), παραγωγή ενέργειας (9%), έλεγχος πλημμύρας (30%) και περιβαλλοντική ροή (2%). Τα εγκαίνια της δεξαμενής πραγματοποιήθηκαν το 2004, ωστόσο, δεν έχουν εγκατασταθεί ακόμη ούτε σύστημα άρδευσης νερού ούτε ο υδροηλεκτρικός σταθμός παραγωγής ενέργειας.
Μεθοδολογία:
- Εφαρμογή τεχνικών συμβολομετρίας Differential Synthetic Aperture Radar (DInSAR) αξιοποιώντας εικόνες A και B του Sentinel-1.
- Μετά από μια ολοκληρωμένη ερμηνεία των αποτελεσμάτων του InSAR και τον προσδιορισμό των κύριων περιοχών που δείχνουν αστάθεια εδάφους, πραγματοποιήθηκε μια διεξοδική συλλογή δεδομένων από αυτές τις περιοχές και μια λεπτομερή γεωμορφολογική έρευνα πεδίου.
- Αρχειοθέτηση στοιχείων πεδίου για τις ανιχνευθείσες κινήσεις και δημιουργία γεωμορφολογικών χαρτών σε κλίμακα τοποθεσίας των ασταθών περιοχών (δηλαδή, τις ενεργές κατολισθήσεις).
- Ανάλυση των χρονοσειρών μετατόπισης στα ασταθή μετρημένα σημεία. Το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στον έλεγχο της εξέλιξης των μετακινήσεων και της σύνδεσή τους με πιθανούς παράγοντες ενεργοποίησης, όπως βροχοπτώσεις και διακυμάνσεις της στάθμης του νερού στον ταμιευτήρα.
Αποτελέσματα: Τα μη σταθερά σημεία συγκεντρώνονται κυρίως σε τρεις περιοχές (Εικόνα 3): (Α) την περιοχή Cortijo de Lorenzo, κατά μήκος του κλάδου του ποταμού Ízbor του ταμιευτήρα, (B) στο νότιο άκρο της οδογέφυρας της λίμνης Rules και (C) την περιοχή El Arrecife, κατά μήκος της δυτικής πλαγιάς του ταμιευτήρα της λίμνης Rules.
- Η περιοχή Cortijo de Lorenzo παρουσιάζει γενικά στοιχεία αστάθειας πλαγιάς, που συνδέονται κυρίως με κατολισθήσεις που ονομάστηκαν «Lorenzo-1 Landslide». Ο ρυθμός ταχύτητας φτάνει τα 20 mm / έτος ως μέγιστο (Εικόνα 3Α).
- Στη νότια πλαγιά της οδογέφυρας της λίμνης Rules, εντοπίστηκαν ταχύτητες στην περιοχή από -5,5 έως -24 mm / έτος (Εικόνα 3Β), με τη μέση ταχύτητα -15 mm / έτος. Τα περισσότερα από τα σημεία βρίσκονται κοντά στην ίδια την οδογέφυρα, ενώ ένα άλλο σύνολο σημείων βρίσκεται 150 μ. βορειοανατολικά της οδογέφυρας (Εικόνα 2Β), που βρίσκεται μέσα σε κατολισθήσεις που καταγράφηκαν από τους Fernández et al. 1997 και Chacón et al. 2007. Αυτή η κατολίσθηση ονομάστηκε «Rules Viaduct Landslide».
- Στην περιοχή El Arrecife, μετρήθηκαν ταχύτητες που κυμαίνονται από -10 έως -60 mm / έτος και η μέση ταχύτητα ήταν -25 mm / έτος. Τα περισσότερα σημεία βρίσκονται κατά μήκος της εθνικής οδού N-323 και του χαμηλότερου τμήματος της ίδιας πλαγιάς (Εικόνα 3C). Το σύνολο των σημείων με τις υψηλότερες ταχύτητες (περίπου -50 και -55 mm / έτος) αντιστοιχεί σε κατολισθήσεις μικρού μεγέθους που καταγράφηκαν επίσης από τους Fernández et al. 1997 και Chacón et al. 2007. Η αστάθεια αυτής της περιοχής επισημάνθηκε επίσης από τους Lackezy et al. 2016, αλλά το χωρικό μοτίβο των ταχυτήτων που λαμβάνουν αυτοί οι συγγραφείς αποτρέπει μια λεπτομερή οριοθέτηση της συρόμενης μάζας. Ο χάρτης ταχύτητας επιφάνειας έδωσε μια καλύτερη εικόνα για τα όρια κατολισθήσεων που ονομάστηκαν «El Arrecife Landslide». Επιπροσθέτως, παρατηρήθηκε ότι το νότιο πλευρικό όριο αυτής της κατολίσθησης δείχνει μια απότομη αλλαγή όσον αφορά τις τιμές ταχύτητας, ενώ το βόρειο όριο δείχνει μια σταδιακή εξέλιξη της ταχύτητας (Εικόνα 3C).
Συμπεράσματα: Η εφαρμογή τεχνικών DInSAR σε περιβάλλον ταμιευτήρα καθιστά δυνατή την επιτυχημένη ανίχνευση και παρακολούθηση πιθανών ασταθειών πλαγιάς σε μια τόσο κρίσιμη υποδομή. Στην περίπτωση του ταμιευτήρα της λίμνης Rules, οι χάρτες ταχύτητας επιφάνειας InSAR επιτρέπουν: (1) να ελεγχθεί η σταθερότητα του Φράγματος Rules και οι πιθανές ασταθείς πλαγιές όπου βρίσκεται αυτή η κατασκευή, (2) να οριοθετηθούν τρεις ενεργές κατολισθήσεις: η Lorenzo-1, η Rules Viaduct και η El Arrecife και (3) να παρακολουθείται η δραστηριότητα αυτών των κατολισθήσεων. Η ενσωμάτωση των δεδομένων DInSAR με την κλασική γεωμορφολογική έρευνα (δηλαδή, έρευνα πεδίου και χαρτογράφηση) βοήθησε στον καθορισμό και την κατανόηση της κινηματικής και της εξέλιξης των κατολισθήσεων, καθώς και στον καθορισμό των παραγόντων ενεργοποίησής τους. Έτσι, διακρίθηκε ότι οι κατολισθήσεις Lorenzo-1 και Rules Viaduct είναι περιστροφικού τύπου, ενώ το El Arrecife έχει επίπεδο χαρακτήρα. Επιπλέον, παρατηρήθηκε μια προοδευτική εξέλιξη των περιστρεφόμενων κατολισθήσεων που αποτελεί κίνδυνο τόσο για την εθνική οδό N-323 όσο και για την οδογέφυρα της λίμνης Rules. Οι χρονοσειρές μετατόπισης που αποκτήθηκαν μέσω της ανάλυσης DInSAR δείχνουν ότι η συμπεριφορά των κατολισθήσεων Lorenzo-1 και Rules Viaduct συσχετίζεται με τις συνεχείς αλλαγές στη στάθμη του νερού του ταμιευτήρα (δηλαδή, μειώσεις και γεμίσματα). Αντίθετα, οι χρονοσειρές που αποκτήθηκαν στην κατολίσθηση του El Arrecife έδειξαν ότι δεν επηρεάστηκε από τις αλλαγές της στάθμης του νερού. Εντοπίστηκαν επίσης μικρές μετατοπίσεις στην οδογέφυρα του αυτοκινητόδρομου Α-44 που διασχίζει έναν κλάδο του ταμιευτήρα της λίμνης Rules. Αυτές οι μετατοπίσεις μπορεί να έχουν διαφορετικές εξηγήσεις, αλλά το γεγονός είναι ότι η οδογέφυρα φαίνεται να υφίσταται μια μικρή παραμόρφωση που πιθανότατα σχετίζεται με τις παρακείμενες κατολισθήσεις. Η κατανόηση όλων αυτών των πληροφοριών ήταν ζωτικής σημασίας για την προκαταρκτική εκτίμηση των πιθανών κινδύνων των ασταθών πλαγιών στον ταμιευτήρα της λίμνης Rules, σχετικά με τα διάφορα προβλήματα και τις επιπτώσεις σε σχέση με την ασφάλεια του ίδιου του ταμιευτήρα και άλλων υποδομών που σχετίζονται με αυτό. Έτσι, αυτή η έρευνα επισημαίνει ότι οι κατολισθήσεις Lorenzo-1 και Rules Viaduct συνεπάγονται μια επικίνδυνη κατάσταση για τη δομική ακεραιότητα του N-323 και της οδογέφυρας της λίμνης Rules, αντίστοιχα. Από την άλλη πλευρά, η κατολίσθηση του El Arrecife αντιπροσωπεύει υψηλό δυνητικό κίνδυνο ξαφνικής αστοχίας. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, δεν υπάρχουν αρκετά στοιχεία για τη δημιουργία κοινωνικού συναγερμού σχετικά με αυτό το θέμα. Υπό αυτήν την έννοια, το DInSAR σε συνδυασμό με άλλες τεχνικές παρακολούθησης πρέπει να εφαρμόζεται συνεχώς για την ανίχνευση οποιασδήποτε ένδειξης προ-αστοχίας και οποιασδήποτε κρίσιμης παραμόρφωσης κατά μήκος της οδογέφυρας της λίμνης Rules για την αποφυγή μη αναστρέψιμων ζημιών και επίσης για τη συμβολή στην κατάλληλη διαχείριση του ταμιευτήρα.
