ΧΩΡΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΩΝ ΕΔΑΦΙΚΩΝ ΥΠΟΧΩΡΗΣΕΩΝ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΑΜΥΝΤΑΙΟ ΠΤΟΛΕΜΑΙΔΑ ΜΕ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ RADAR (SAR)

Transcript

1 ΧΑΡΟΚΟΠΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΓΡΑΦΙΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΡΟΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΤΙΤΛΟ: ΧΩΡΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΩΝ ΕΔΑΦΙΚΩΝ ΥΠΟΧΩΡΗΣΕΩΝ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΑΜΥΝΤΑΙΟ ΠΤΟΛΕΜΑΙΔΑ ΜΕ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ RADAR (SAR) Βασιλική Μαρία Πέγιου - Μαλακού ΑΘΗΝΑ, 2016

2 ΧΑΡΟΚΟΠΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΤΜΗΜΑ ΓΕΩΓΡΑΦΙΑΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΠΡΟΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕ ΤΙΤΛΟ: ΧΩΡΙΚΗ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΩΝ ΕΔΑΦΙΚΩΝ ΥΠΟΧΩΡΗΣΕΩΝ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΑΜΥΝΤΑΙΟ ΠΤΟΛΕΜΑΙΔΑ ΜΕ ΤΗΝ ΧΡΗΣΗ ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ RADAR (SAR) Βασιλική Μαρία Πέγιου - Μαλακού Α.Μ.: Επιβλέπων καθηγητής: Ισαάκ Παρχαρίδης, Αναπληρωτής Καθηγητής Επιτροπή: Ευθύμιος Καρύμπαλης Παύλος Μαρίνος Δελλαδέτσιμας ΑΘΗΝΑ,

3 Στην γιαγιά μου, Βασιλική, στον παππού μου, Λεωνίδα, στην μαμά μου Γιώτα και στο στενό φιλικό μου περιβάλλον που ήταν όλοι τους δίπλα μου! 2

4 Πίνακας Περιεχομένων Πρόλογος... 9 Περίληψη Abstract Ενεργά Συστήματα Παρατήρησης Της Γης Εισαγωγή Ενεργά Δορυφορικά Συστήματα Και Μικροκυματική Ακτινοβολία Δορυφορικά Συστήματα Radar Δορυφορικό Σύστημα Seasat Δορυφορικό Σύστημα SIR Δορυφορικά Συστήματα ERS-1 και ERS Δορυφορικό Σύστημα RADARSAT Δορυφορικό Σύστημα JERS Δορυφορικό Σύστημα ALOS Δορυφορικό Σύστημα ENVISAT Δορυφορικό Σύστημα TERRASAR-X Δορυφορικό Σύστημα COSMO-SKYMED Δορυφορικό Σύστημα SENTINEL Χαρακτηριστικά των Radar Συνθετικού Ανοίγματος Γεωμετρία των Radar Συνθετικού Ανοίγματος Παραμορφώσεις των απεικονίσεων Radar Συνθετικού Ανοίγματος Όργανο καταγραφής Advanced Synthetic-Aperture Radar (ASAR) Συμβολομετρία Radar Συνθετικού Ανοίγματος Βασικές Αρχές Συμβολομετρίας Radar Συνθετικού Ανοίγματος Πηγές Αποσυσχέτισης Συμβολομετρικής Φάσης Διαφορική Συμβολομετρία Radar Συνθετικού Ανοίγματος Σώρρευση Διαφορικών Συμβολογραφημάτων (Stacking) Περιοχή Μελέτης Γεωγραφική Τοποθέτηση Γενικά Στοιχεία - Ανθρωπογεωγραφία Γεωμορφολογία Γεωλογία

5 4.5 Υδρογεωλογική Λεκάνη Πιεζομετρία Περιοχής Αμυνταίου Επίδραση του Καρστικού Υδροφόρου στο Ορυχείο Τεκτονική Σεισμικότητα Εξορυκτική Δραστηριότητα Περί Ορυχείων Γενική Περιγραφή του Λιγνιτικού Κέντρου Δυτικής Μακεδονίας Εδαφικές Υποχωρήσεις Περιγραφή της Διεργασίας Εδαφικές Υποχωρήσεις στην Περιοχή Δυτικά του Ορυχείου Αμυνταίου, Ν. Φλώρινας Δεδομένα Μεθοδολογία Δεδομένα Μεθοδολογία Δημιουργία Αρχείου Μεταδεδομένων Βελτίωση Τροχιακών Δεδομένων Συμπροσαρμογή Υπολογισμός του Ανύσματος Βάσης Σύνθεση Συμβολογραφήματος Εφαρμογή Φίλτρου Εκτύλιξη της Φάσης Σώρρευση Συμβολογραφημάτων Μετατροπή Φάσης σε Ύψος και Γεωκωδικοποίηση Αποτελέσματα Συζήτηση Συμπεράσματα Βιβλιογραφία Ελληνική Βιβλιογραφία Ξενόγλωσση Βιβλιογραφία Ιστότοποι

6 Εικόνες Εικόνα 1-1: Ενεργά και Παθητικά Δορυφορικά Συστήματα, Πηγή: (Νεοκοσμίδης, 2014) Εικόνα 1-2:Τα τμήματα της μικροκυματικής ακτινοβολίας και το Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα ΠΗΓΗ: (Canada Centre for Remote Sensing (CCRS) ) Εικόνα 1-3: Οπισθοσκέδαση των παλμών από τα αντικείμενα στην επιφάνεια του εδάφους Εικόνα 1-4: Βάθος διείσδυσης καναλιών (X, C, L Bands) σε φυσικούς στόχους Εικόνα 1-5: Ο δορυφόρος SEASAT, ΠΗΓΗ: NASA Εικόνα 1-6: Ο δορυφόρος ERS, ΠΗΓΗ: European Space Agency (ESA) Εικόνα 1-7:Οι δορυφόροι RADARSAT-1 και RADARSAT-2 ΠΗΓΗ: (Canadian Space Agency).. 20 Εικόνα 1-8: Απεικόνιση του δορυφόρου JERS-1, ΠΗΓΗ: (Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)) Εικόνα 1-9: Ο δορυφόρος ALOS, ΠΗΓΗ: (Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)) Εικόνα 1-10: Απεικόνιση των οργάνων του δορυφόρου ENVISAT. ΠΗΓΗ: Aviso Εικόνα 1-11: Τα όργανα καταγραφής του δορυφόρου ENVISAΤ, ΠΗΓΗ: Εικόνα 1-12: Απεικόνιση του δορυφόρου ENVISAT Εικόνα 1-13: Απεικόνιση του δορυφόρου TERRASAR-X, ΠΗΓΗ: (German Aerospace Center (DLR)) Εικόνα 1-14: Ο αστερισμός δορυφόρων COSMO-SkyMed, ΠΗΓΗ: (G-AVE Technology Corp.) Εικόνα 1-15: Ο δορυφόρος SENTINEL Εικόνα 2-1:Σύστημα Radar Πραγματικού Ανοίγματος Εικόνα 2-2: Σύστημα Radar Συνθετικού Ανοίγματος Εικόνα 2-3: Γεωμετρία των Radar Συνθετικού Ανοίγματος Εικόνα 2-4: Είδη πόλωσης Εικόνα 2-5: Σύστημα συντεταγμένων των Radar Συνθετικού Ανοίγματος Εικόνα 2-6: Απεικόνιση με το φαινόμενο της Σμίκρυνσης Εικόνα 2-7: Το φαινόμενο της Σμίκρυνσης Εικόνα 2-8: Απεικόνιση με το φαινόμενο της Αναστροφής Εικόνα 2-9: Το φαινόμενο της Αναστροφής Εικόνα 2-11: Το φαινόμενο της Σκίασης Εικόνα 2-10: Απεικόνιση με το φαινόμενο της Σκίασης Εικόνα 2-12: Το όργανο καταγραφής ASAR στο EADS Astrium Ltd., ΠΗΓΗ: European Space Agency (ESA) Εικόνα 2-13: Καταγραφή του οργάνου ASAR Εικόνα 2-14: Λειτουργία Stripmap Εικόνα 2-15: Λειτουργία ScanSAR, ΠΗΓΗ: (Bertran Ortiz & Zebker, 2007) Εικόνα 2-16: Τύποι Σάρωσης του οργάνου ASAR, ΠΗΓΗ: (Louet, 2001) Εικόνα 2-17: Γεωμετρίες Παρατήρησης οργάνου ASAR, ΠΗΓΗ: European Space Agency (ESA) Εικόνα 2-18: Λωρίδες Κάλυψης (Swaths) του οργάνου ASAR, ΠΗΓΗ: European Space Agency (ESA) Εικόνα 3-1: Συλλογή Δεδομένων Συμβολομετρίας Εικόνα 3-2: Παράδειγμα της εικόνας πλάτους και της φάσης μιας SAR εικόνας του ηφαιστείου της Αίτνας Εικόνα 3-3: Συμβολομετρική φάση, ΠΗΓΗ: European Space Agency (ESA)

7 Εικόνα 3-4: Συμβολομετρία Radar Συνθετικού Ανοίγματος Εικόνα 3-5: Συμβολογράφημα με την εικόνα Πλάτους και την Διαφορά Φάσης Εικόνα 3-6:Διαφορική Συμβολομετρία Radar Εικόνα 3-7: Γεωμετρία Διαφορικής Συμβολομετρίας Radar Εικόνα 3-8: Σύνθεση Συμβολογραφήματος με Διαφορική Συμβολομετρία Radar Εικόνα 4-1: Περιοχή Μελέτης, εικόνα από την πλατφόρμα Google Earth Εικόνα 4-2: Χάρτης Περιοχής Μελέτης, οριοθετημένης στο αποτύπωμα των δορυφορικών δεδομένων Εικόνα 4-3: Μεταβολή πληθυσµού ανά νέο ήµο για την Περιφέρεια της υτικής Μακεδονίας, ΠΗΓΗ: ΠΠΧΣΑΑ Περιφέρειας υτικής Μακεδονίας, /νση Χωροταξίας, ΥΠΕΚΑ, Εικόνα 4-4: Χάρτης Κάλυψης Γης (CORINE 2000) ευρύτερης Περιοχής Μελέτης Εικόνα 4-5: Απόσπασµα ιαγράµµατος 1 «Εθνικό Πρότυπο Χωροταξικής Οργάνωσης της Βιοµηχανίας» (Πηγή: Ειδικού Πλαισίου Χωροταξικού Σχεδιασµού & Αειφόρου Ανάπτυξης για τη Βιοµηχανία) Εικόνα 4-6: Πολεοδομικό Σχέδιο Δήμου Αμυνταίου, ΠΗΓΗ: Γαία Α.Ε. Μελετών Εικόνα 4-7: Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους της ευρύτερης περιοχής μελέτης με δεδομένα ASTER GDEM. Πηγή ψηφιακού μοντέλου εδάφους: NASA και ΜΕΤΙ Εικόνα 4-8: Λιθοστρωματογραφική στήλη κοιτάσματος Αμυνταίου (Κούκουζας, et al., 1978) Εικόνα 4-9: Γεωλογικός χάρτης περιοχής Αμυνταίου (Δημητρακόπουλος, 2001) Εικόνα 4-10: Γεωλογικός Χάρτης περιοχής μελέτης, ΠΗΓΗ: ΙΓΜΕ Εικόνα 4-11: Πιεζομετρικός χάρτης καρστικού υδροφορέα περιοχής Αμυνταίου, 1988 ΠΗΓΗ: (Δημητρακόπουλος, 2001) Εικόνα 4-12: Γεωλογικοί χαρακτήρες και εμφάνιση ρηγμάτων περιοχής ΠΗΓΗ: (Δημητρακόπουλος, 2001) Εικόνα 4-13: Χάρτης χωρικής κατανομής επικέντρων σεισμών από το 1973 έως το 2010 και απεικόνιση της έντασης των σεισμών σε τοπική κλίμακα ή αλλιώς σε κλίμακα Richter (Local Magnitude ML). Πηγή των δεδομένων των σεισμών είναι η πλατφόρμα IRIS ( 78 Εικόνα 4-14: : Ορυχεία και ΑΗΣ της ευρύτερης περιοχής ΠΗΓΗ: (Όμιλος Δ.Ε.Η. Α.Ε.) Εικόνα 4-15: Καδοφόρος εκσκαφέας (Μπολγκοράνου, 2015 από Γαλετάκης, 2013) Εικόνα 4-16: Αποθέτης (Μπολγκοράνου, 2015 από Γαλετάκης, 2013) Εικόνα 4-17: Σχηματική διάταξη ορυχείου (Μπολγκοράνου, 2015 από Γαλετάκης, 2013) Εικόνα 5-1: Κατηγορίες Εδαφικών Υποχωρήσεων Εικόνα 5-2: Χωρική Κατανομή εδαφικών υποχωρήσεων λόγω υπεράντλησης στον Ελλαδικό χώρo Εικόνα 5-3: Σχηματική απεικόνιση της διαδικασίας αύξησης της φόρτισης του εδάφους με τον υποβιβασμό του υδροφόρου Εικόνα 6-1:Το περιβάλλον εργασίας της πλατφόρμας Earth Observation Link (EOLi) της ESA Εικόνα 6-2: Το Αποτύπωμα (footprint) των δεδομένων που επιλέχθηκαν Εικόνα 6-3: Διάγραμμα ροής της πορείας εργασίας Εικόνα 6-4: Περιβάλλον Εργασίας του λογισμικού ArcGIS (ESRI) Εικόνα 6-5: Το όργανο DORIS του ENVISAT Εικόνα 6-6: Διάγραμμα ροής της συμπροσαρμογής SAR εικόνων (τροποποιημένο από Li & Bethel, 2008) Εικόνα 6-7: Μέση εικόνα multilook (1 Range x 5 Azimuth) σε γεωμετρία SAR

8 Εικόνα 6-8: Το άνυσμα βάσης (Β) στην Γεωμετρία SAR Εικόνα 6-9: Τα συμβολομετρικά ζεύγη που προέκυψαν από τον υπολογισμό του ανύσματος βάσης Εικόνα 6-10: Απεικόνιση μέσου όρου συνοχής μεταξύ των εικόνων σε γεωμετρία SAR Εικόνα 6-11: Μετατροπή της φάσης από κύκλους εύρους 2π rad σε πραγματική και συνεχή μέσω της εκτύλιξης φάσης Εικόνα 6-12: Γεωλογικός χάρτης με ταυτόχρονη απεικόνιση του σημείου αναφοράς στην περιοχή μελέτης Εικόνα 7-1: Χάρτης χωρικής κατανομής των εδαφικών υποχωρήσεων λόγω υπεράντλησης στην λεκάνη Αμυνταίου, με χρήση της μεθόδου Σώρρευσης Διαφορικών Συμβολογραφημάτων Εικόνα 7-2: Απεικόνιση των αποτελεσμάτων της τεχνικής Σώρρευσης Διαφορικών Συμβολογραφημάτων στον οικισμό Ανάργυροι Εικόνα 7-3: Απεικόνιση των αποτελεσμάτων της τεχνικής Σώρρευσης Διαφορικών Συμβολογραφημάτων στον οικισμό Βαλτόνερα Εικόνα 7-4: Απεικόνιση των αποτελεσμάτων της τεχνικής Σώρρευσης Διαφορικών Συμβολογραφημάτων στον οικισμό Φανός Εικόνα 7-5: Απεικόνιση των αποτελεσμάτων της τεχνικής Σώρρευσης Διαφορικών Συμβολογραφημάτων στον οικισμό Πεδινό Εικόνα 7-6: Απεικόνιση των αποτελεσμάτων της τεχνικής Σώρρευσης Διαφορικών Συμβολογραφημάτων στον οικισμό Περδίκκας

9 Πίνακες Πίνακας 1-1: Τμήματα της Μικροκυματικής ακτινοβολίας Πίνακας 1-2: Χαρακτηριστικά του δορυφορικου συστήματος ENVISAT, ΠΗΓΗ: (ILRS/NASA) 25 Πίνακας 2-1: Οι λειτουργίες του οργάνου ASAR (τροποποιημένο από European Space Agency (ESA)) Πίνακας 2-2: Αναλυτικά χαρακτηριστικά του οργάνου καταγραφής ASAR και των λειτουργιών του Πίνακας 4-1: Οι ενεργειακές μονάδες που τροφοδοτούνται με λιγνίτη από το Λιγνιτικό Κέντρο Πτολεμαϊδας Αμυνταίου, ΠΗΓΗ: (Όμιλος Δ.Ε.Η. Α.Ε.) Πίνακας 4-2: Λιγνιτοφορία περιοχής ΠΗΓΗ: (Δημητρακόπουλος, 2001; Μπολγκοράνου, 2015) Πίνακας 6-1: Χαρακτηριστικά των Δεδομένων Image Mode Single-Look Complex (ASA_IMS_1P) ΠΗΓΗ: ESA Πίνακας 6-2: Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν και τα χαρακτηριστικά τους Πίνακας 6-3: Αποδεκτά συμβολομετρικά ζεύγη που χρησιμοποιήθηκαν και στο τελικό βήμα της σώρευσης διαφορικών συμβολογραφημάτων

10 Πρόλογος Η εκπόνηση της παρούσας εργασίας δεν θα ήταν δυνατή χωρίς την πολύτιμη βοήθεια του καθηγητή του τμήματος Γεωγραφίας Χαροκοπείου Πανεπιστημίου, κύριο Ισαάκ Παρχαρίδη, που μου ανέθεσε το παρόν θέμα και με καθοδήγησε με χρήσιμες συμβουλές και υπομονή. Ως επιβλέπων καθηγητής με βοήθησε και με ενέπνευσε. Θα ήθελα επίσης να εκφράσω τις ευχαριστίες μου προς τον κύριο Κωνσταντίνο Λουπασάκη, καθηγητή της Σχολής Μηχανικών Μεταλλείων και Μεταλλουργών στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, ο οποίος μοιράστηκε μαζί μου τις γνώσεις και την εμπειρία του σε ό,τι αφορά την περιοχή μελέτης. Πολύτιμη ήταν επίσης και η βοήθεια συμφοιτητών μου και επίσης μελών της ομάδας Παρατήρησης της Γης από το Διάστημα του Χαροκοπείου Πανεπιστημίου, και συγκεκριμένα τον Χρίστο Μπουντζουκλή και τον Κωνσταντίνο Δερδελάκο, οι οποίοι ήταν διαθέσιμοι να με βοηθήσουν κατά τα πρώτα μου βήματα στην μέθοδο της Συμβολομετρίας και στον χειρισμό του λογισμικού Gamma. Ευχαριστώ ιδιαίτερα το σύνολο των καθηγητών μου στο τμήμα Γεωγραφίας του Χαροκοπείου Πανεπιστημίου, οι οποίοι με βοήθησαν να φτάσω μέχρι εδώ και να έχω τις γνώσεις που έχω σήμερα και από τους οποίους έμαθα πάρα πολλά κατά την διάρκεια φοίτησης μου στο προαναφερθέν εκπαιδευτικό ίδρυμα. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω το στενό φιλικό μου περιβάλλον και, φυσικά, την οικογένειά μου που είναι πάντα δίπλα μου και με στηρίζει σε ό,τι χρειαστώ. Χωρίς την βοήθειά τους δεν θα τα είχα καταφέρει. Αθήνα, Σεπτέμβριος 2016 Βασιλική Πέγιου 9

11 Περίληψη Αντικείμενο της παρούσας έρευνας αποτελεί η μελέτη του φαινομένου των εδαφικών υποχωρήσεων (land subsidence) στην ευρύτερη περιοχή της λεκάνης Αμυνταίου του νομού Φλωρίνης λόγω της υπεράντλησης των υπογείων υδάτων η οποία προκύπτει από την δραστηριότητα του λιγνιτωρυχείου Αμυνταίου. Το φαινόμενο των εδαφικών παρατηρήσεων μπορεί να προκληθεί από πολυάριθμες αιτίες ενώ είναι πολλά τα παραδείγματα τόσο στον Ελλαδικό χώρο όσο και στο εξωτερικό. Στην περίπτωση που ερευνάται στην παρούσα μελέτη, φαινόμενα υπερεκμετάλλευσης του υδροφόρου ορίζοντα, τα οποία προκύπτουν από την δραστηριότητα του λιγνιτορυχείου Αμυνταίου, οδηγούν σε πτώση της πιεζομετρικής επιφάνειας με αποτέλεσμα την παρατήρηση φαινομένων εδαφικών υποχωρήσεων. Η περιοχή μελέτης που φαίνεται να πλήττεται από τις εδαφικές υποχωρήσεις λόγω του ορυχείου, εκτείνεται δυτικά του ορυχείου Αμυνταίου και οι οικισμοί που περιλαμβάνει κι εντοπίζεται το πρόβλημα είναι αυτοί των Αναργύρων, Φανού, Βαλτονέρων και Πεδινού. Για την διερεύνηση του φαινομένου εφαρμόστηκε η τεχνική της διαφορικής συμβολομετρίας SAR (DinSAR) στην ευρύτερη περιοχή, ενώ επιτεύχθηκε εκτίμηση των μέσων ετήσιων τιμών των εδαφικών υποχωρήσεων καθώς και ανίχνευση και χαρτογράφηση τους με την εφαρμογή της μεθόδου σώρρευσης συμβολογραφημάτων (Stacking) χρησιμοποιώντας δεδομένα του δορυφόρου ENVISAT για την χρονική περίοδο Τα αποτελέσματα της εφαρμογής των παραπάνω τεχνικών υπέδειξαν την ύπαρξη εδαφικών υποχωρήσεων με μέσες ετήσιες τιμές υποχώρησης της τάξεως των 5mm ανά έτος στους οικισμούς που βρίσκονται δυτικά του λιγνιτορυχείου Αμυνταίου παρουσιάζοντας ένα μοτίβο παραμορφώσεων που συμφωνεί με τις θέσεις των ρηγμάτων αλλά και την στρωματογραφία της ευρύτερης περιοχής. Εδαφικές υποχωρήσεις που παρατηρήθηκαν εκτός του τμήματος δυτικά του ορυχείου δεν μελετήθηκαν περαιτέρω διότι δεν προκλήθηκαν από την δραστηριότητα του ορυχείου αλλά από άλλα αίτια αποτελώντας όμως έναυσμα για καινούριες μελέτες. Λέξεις-Κλειδιά: Εδαφικές Υποχωρήσεις, Διαφορική Συμβολομετρία, Σώρρευση Συμβολογραφημάτων, Ορυχείο Αμυνταίου, Λεκάνη Αμυνταίο, Υπεράντληση υδροφόρου 10

12 Abstract The main purpose of this research is to examine the phenomena of land subsidence in the region of the Amyntaio basin of the prefecture of Florina, due to overpumping of groundwater resulting from the activity of Amyntaio lignite mine. The phenomenon of land subsidence can result from numerous causes while there are many examples in Greece as well as abroad. In the case investigated in this study, overexploitation of aquifers phenomena resulting from the activity of the Amyntaio lignite mine, lead to a drop in piezometric surface causing land subsidence. The study area suffering from land subsidence because of the mine, is located on the west of the Amyntaio mine and the settlements included and also affected are Anargiroi, Fanos, Valtonera and Pedino. In order to investigate the phenomenon, the technique of differential SAR interferometry (DinSAR) was applied. Also an estimate of the average annual value of land subsidence as well as the detection and mapping of the affected regions were achieved by the implementation of Stacking technique. Both methods were applied using ENVISAT satellite data for the period The results of applying the above techniques indicated the existence of land subsidence with average annual value in the range of 5mm per year affecting the settlements located on the west of the Amyntaio lignite mine, showing a pattern of deformation which agrees with the locations of faults and the stratigraphy of the area. Any observed land subsidence phenomena not located on the west of the mine, were not examined further as they are not caused by the mining activity but from other causes. Key-words: Land Subsidence, Differential Interferometry, DinSAR, Stacking, Amyntaio mine, Amyntaio basin, Overexploitation of Aquifers 11

13 1 Ενεργά Συστήματα Παρατήρησης Της Γης 1.1 Εισαγωγή Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αλληλεπιδρά με τα σώματα με τα οποία έρχεται σε επαφή. Η αλληλεπίδραση αυτή περιλαμβάνει το φαινόμενο της ανάκλασης, της σκέδασης αλλά και της απορρόφησης. Έτσι, η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον Ήλιο αλληλεπιδρά με την ατμόσφαιρα και με την επιφάνεια της Γης. Τα συστήματα παρατήρησης της Γής λαμβάνουν την ανακλώμενη από τα σώματα ακτινοβολία. Η πηγή όμως της ακτινοβολίας που δέχονται και ανακλούν τα σώματα διαφοροποιεί τα συστήματα παρατήρησης της Γης σε δυο κατηγορίες: στα ενεργά και στα παθητικά συστήματα. Παθητικά συστήματα ονομάζονται αυτά που καταγράφουν την ακτινοβολία από μια φυσική πηγή (Ήλιος), επομένως έχουν την δυνατότητα λήψης μόνο κατά την διάρκεια της ημέρας, και χρησιμοποιούν τα τμήματα του ορατού (Visible) και του υπερύθρου (Infrared). Τα ενεργά συστήματα καταγράφουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα που εκπέμπονται από εξωτερική πηγή ή από το ίδιο το όργανο καταγραφής και χρησιμοποιούν το μικροκυματικό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Εικόνα 1-1: Ενεργά και Παθητικά Δορυφορικά Συστήματα, Πηγή: (Νεοκοσμίδης, 2014) 12

14 1.2 Ενεργά Δορυφορικά Συστήματα Και Μικροκυματική Ακτινοβολία Οι ενεργητικοί αισθητήρες έχουν την δυνατότητα να εκπέμπουν δική τους ακτινοβολία, το σήμα της οποίας ανακλάται, διαθλάται ή διαχέεται στην γήινη επιφάνεια ή ατμόσφαιρα και να το καταγράφουν στην επιστροφή του. Τα ενεργά δορυφορικά συστήματα, όπως τα συστήματα Radar (Radio Detection and Ranging), χρησιμοποιούν το μικροκυματικό τμήμα του ηλεκρομαγνητικού φάσματος, το οποίο περιλαμβάνει μήκη κύματος από 1mm εώς 1m και δεν είναι αντιληπτά με το ανθρώπινο μάτι. Το μικροκυματικό τμήμα χωρίζεται σε φασματικές ζώνες με συγκεκριμένες συχνότητες και μήκη κύματος. Εικόνα 1-2:Τα τμήματα της μικροκυματικής ακτινοβολίας και το Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα ΠΗΓΗ: (Canada Centre for Remote Sensing (CCRS) ) 13

15 Κανάλι Συχνότητα (GHz) Μήκος κύματος (cm) Ka 26,5-40 0,75 1,18 K 18 26,5 1,18 1,67 Ku 12,5 18 1,67 2,40 X 8 12,5 2,4 3,75 C 4-8 3,75 7,5 S 2 4 7,5 15 L P 0, Πίνακας 1-1: Τμήματα της Μικροκυματικής ακτινοβολίας 1 Η μικροκυματική ακτινοβολία στα συστήματα αυτά εκπέμπεται από μια κεραία που βρίσκεται στον ίδιο τον δορυφόρο. Η πληροφορία που λαμβάνει ο δορυφόρος αφορά την ένταση της επιστρεφόμενης σκεδαζόμενης ακτινοβολίας από την επιφάνεια του εδάφους. Η αλληλεπίδραση αυτή ονομάζεται οπισθοσκέδαση 2. Επομένως η θέση των αντικειμένων στην εικόνα αποτυπώνεται με βάση τον χρόνο μεταβίβασης κι επιστροφής της ακτινοβολίας στον δορυφόρο. Αναλυτικά η διαδικασία λήψης εικόνας έχει ως εξής: το σύστημα εκπέμπει παλμούς ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και καταγράφει τον χρόνο και την ενταση επιστροφής του παλμού από τους στόχους. Έτσι ο χρόνος που χρειάστηκε για να ταξιδέψει ο παλμός από τον δορυφόρο ως τον στόχο και από τον στόχο να σκεδαστεί πίσω στον αισθητήρα, καθορίζει την απόσταση (εύρος range) του δορυφόρου από το αντικείμενο στόχο. 1 Η ονομασία των φασματικών καναλιών είναι τυχαία και προέρχεται από στρατιωτικές κρυπτογραφήσεις του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου (Φουμέλης, 2009). 2 Η επιστροφή της εκπεμπόμενης από τον δορυφόρο ακτινοβολίας πίσω σε αυτόν αφού σκεδαστεί από κάποιο αντικείμενο στην επιφάνεια του εδάφους. 14

16 Εικόνα 1-3: Οπισθοσκέδαση των παλμών από τα αντικείμενα στην επιφάνεια του εδάφους. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι τα συστήματα αυτά δεν εκπέμπουν τον παλμό κατ ευθείαν προς τα κάτω (ναδίρ) αλλά, κατά κανόνα, κοιτούν πλαγίως και δεξιά (right side looking). Οι αισθητήρες των δορυφόρων που χρησιμοποιούν την μικροκυματική ακτινοβολία ονομάζονται SAR (Synthetic Aperture Radar) και μπορούν να καταγράφουν τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας του εδάφους (τοπογραφία, μορφολογία, τραχύτητα του εδάφους), την περιεκτικότητα της βλάστησης και του εδάφους σε νερό, καθώς και τη διηλεκτρική συμπεριφορά των υλικών 3. Τα Radar μπορεί να είναι απεικονιστικά (imaging radars), ραντάρ μετρήσεων των υψομετρικών διαφορών (altimeters) καθώς και σκεδασίμετρα (scatterometers) (Natural Resources Canada, 2013) και η χρήση τους άρχισε το 1978 με το δορυφόρο Seasat. Τα συστήματα Radar έχουν το πλεονέκτημα της λειτουργίας ανεξάρτητα από τον ηλιακό φωτισμό, έχουν δηλαδή την ικανότητα να λειτουργούν κατά τη διάρκεια της ημέρας και της νύκτας και κατά κανόνα δεν είναι ευαίσθητα σε δυσμενείς καιρικές συνθήκες και στη νεφοκάλυψη. Μπορούν να διαπεράσουν τα σύννεφα, την σχετικά χαμηλή βροχή και το χιόνι. Για τον λόγο αυτό είναι γνωστά και ως συστήματα παντός καιρού (all weather systems). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ελάχιστη ή μηδενική εξασθένηση του σήματος κατά 3 Σχετίζεται με το ποσοστό ενέργειας που ανακλάται σε σχέση με αυτό που διεισδύει και εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. 15

17 το πέρασμα μέσα από την ατμόσφαιρα (Μιγκίρος, et al., 2003). Έχουν επίσης την δυνατότητα να διαπερνούν την βλάστηση και το έδαφος μέχρι βάθους περίπου ενός μέτρου. Εικόνα 1-4: Βάθος διείσδυσης καναλιών (X, C, L Bands) σε φυσικούς στόχους Τέλος χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές όπως η γεωργία και η δασολογία, η γεωλογία, η υδρολογία, η ωκεανογραφία και η καταγραφή και μελέτη των πάγων στην γήινη επιφάνεια. Επίσης η καταμέτρηση της χρονικής διαφοράς μεταξύ του εκπεμπόμενου και του επιστρέφοντος σήματος χρησιμεύει για τον υπολογισμό αποστάσεων (και υψομετρικών διαφορών). Οι δορυφόροι Radar όμως δεν βρίσκονται σε συνεχή λειτουργία καθώς είναι ιδιαίτερα απαιτητικά ως προς την κατανάλωση ενέργειας. Βέβαια τα κυριότερα μειονεκτήματα των ραντάρ είναι ότι λόγω της χαμηλής εκπεμπόμενης ακτινοβολίας το σήμα που καταγράφουν μπορεί να αλλοιωθεί από παρεμβολές και επιπλέον το σήμα τους δεν έχει πολυφασματικά χαρακτηριστικά (NASA, 2015) 16

18 1.3 Δορυφορικά Συστήματα Radar Δορυφορικό Σύστημα Seasat Ο δορυφόρος Seasat 1 ήταν ο πρώτος δορυφόρος που εκτοξεύτηκε και σχεδιάστηκε για την παρακολούθηση των ωκεανών της γης. Ανήκει στην κατηγορία των radar με σύστημα SAR 4. Η τροχιά του ήταν σχεδόν πολική, ύψους 800 km και κλίσης περίπου 108 μοίρες και είχε προγραμματιστεί για να καλύψει το 95% των Εικόνα 1-5: Ο δορυφόρος SEASAT, ΠΗΓΗ: NASA ωκεανών της Γης. Κάθε ημέρα ολοκληρώνονταν 14 τροχιές. Παρουσίασε όμως τεχνικό πρόβλημα 99 μέρες μετά την εκτόξευση το οποίο περιόρισε την παραγωγή δεδομένων. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του συλλέχθηκαν 42 περίπου ώρες δεδομένων. Οι εφαρμογές που πραγματοποιήθηκαν με την χρήση εικόνων SAR του Seasat 1 αφορούσαν ωκεανογραφικές μελέτες, χαρτογράφηση των πάγων στους πόλους, γεωλογική χαρτογράφηση, ανάλυση υδρογραφικών δικτύων και τέλος χαρτογράφηση της βλάστησης και ωκεανογραφικές μελέτες. Τέλος χρησιμοποιήθηκε και για την γεωλογική ανίχνευση των ρηγμάτων, των διαρρήξεων, των γραμμώσεων και των πτυχών (Μερτίκας, 1999). Εκτός από το Radar συνθετικού ανοίγματος, το οποίο λειτουργούσε στην μικροκυματική φασματική ζώνη L, ο Seasat περιλάμβανε και τα ακόλουθα όργανα (NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL), 2010): Radar altimeter: καταγράφει το ύψος του διαστημικού σκάφους από την επιφάνεια της θάλασσας. Scatterometer system: μετράει την ταχύτητα και την διεύθυνση του ανέμου. Visible and infrared radiometer: προσδιορίζει τα χαρακτριστικά των νεφών, της ξηράς και του νερού. Scanning multi-channel microwave radiometer: καταγράφει την θερμοκρασία στην επιφάνεια της θάλασσας. 3 Αναλυτική επεξήγηση και περιγραφή των συστημάτων SAR βρίσκεται στο Κεφάλαιο 2: Χαρακτηριστικά των Radar Συνθετικού Ανοίγματος 17

19 Retroreflector array Δορυφορικό Σύστημα SIR Το δορυφορικό σύστημα SIR αποτέλεσε μια τροποποιημένη έκδοση του SEASAT. Ο SIR-A εκτοξεύτηκε τον Νοέμβριο του 1981 ενώ ο SIR-B εκτοξεύτηκε τον Οκτώβριο του O SIR-B είχε καλύτερη διακριτική ικανότητα σε σχέση με τον SIR-A και λειτούργησε στην μικροκυματική ζώνη L. (Μερτίκας, 1999). Το 1994 εκτοξεύτηκε ο SIR-C και αποτέλεσε το πρώτο δορυφορικό σύστημα Radar με δυνατότητα απόκτησης εικόνων σε τρία διαφορετικά φασματικά κανάλια (L, X, C) Δορυφορικά Συστήματα ERS-1 και ERS-2 Εικόνα 1-6: Ο δορυφόρος ERS, ΠΗΓΗ: European Space Agency (ESA) Ο ERS-1 (European Remote Sensing Satellite) εκτοξεύτηκε στις 17 Ιουλίου του 1991, αποτελώντας τον πρώτο δορυφόρο της ESA (European Space Agency), που πραγματοποίησε ηλιοσύγχρονη και πολική τροχιά. Ο ERS-1 κατέγραψε πάνω από 1,5 εκατομμύρια δορυφορικές εικόνες με το Ραντάρ Συνθετικού Ανοίγματος (Synthetic Aperture Radar SAR), οι οποίες διατέθηκαν μαζί με δεδομένα από άλλα όργανα του δορυφόρου, στην παγκόσμια επιστημονική κοινότητα. Η κεραία των ERS κοιτούσε προς τα αριστερά (European Space Agency (ESA), 2007). Επίσης, τα δορυφορικά δεδομένα του ERS-1 παρασχέθηκαν σε μετεωρολογικές υπηρεσίες σε όλο τον κόσμο. Κατά τη διάρκεια της αποστολής του δορυφόρου ERS-1, οι επιστήμονες παρατήρησαν πολλά φαινόμενα σχετικά με τον τυφώνα Ελ Νίνιο, που αφορούν επιφανειακά ρεύματα, θερμοκρασία, ανέμους και τοπογραφία (Μιγκίρος, et al., 2003). Ειδικότερα δε, οι μετρήσεις της επιφανειακής θερμοκρασίας της θάλασσας υπήρξε ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της κλιματικής αλλαγής. Τον Μάρτιο του 2000, μια δυσλειτουργία του υπολογιστή και 18

20 του γυροσκοπίου οδήγησαν το δορυφόρο ERS-1 στο τέλος της αποστολής του, ξεπερνώντας κατά πολύ την προγραμματισμένη διάρκεια ζωής του. Ο δορυφόρος ERS-2, ο οποίος θεωρείται ο διάδοχος του δορυφόρου ERS-1, εκτοξεύτηκε το 1995 εφοδιασμένος με ένα επιπλέον αισθητήρα για την έρευνα του όζοντος στην ατμόσφαιρα. Οι δύο δορυφόροι ERS είναι τα πιο εξελιγμένα διαστημικά σκάφη παρατήρησης της Γης που έχουν αναπτυχθεί και ξεκινήσει από την Ευρώπη. Αυτοί οι δύο εξαιρετικά πετυχημένοι δορυφόροι της ESA έχουν συλλέξει μεγάλο πλήθος πολύτιμων στοιχείων από την επιφάνεια του εδάφους, του ωκεανούς και τους πόλους της γης, ενώ παράλληλα κλήθηκαν να παρακολουθήσουν διάφορες φυσικές καταστροφές, όπως πλημμύρες και σεισμοί σε διάφορα σημεία του πλανήτη. Και οι δύο δορυφόροι της ERS (ERS-1 και ERS-2) σχεδιάστηκαν με ένα πυρήνα ωφέλιμου φορτίου με δύο εξειδικευμένα ραντάρ και ένα αισθητήρα απεικόνισης υπερύθρων. Η σημαντική διάφορα μεταξύ των δύο δορυφόρων είναι το γεγονός πως ο ERS-2 περιλάμβανε ένα επιπλέον όργανο, το οποίο παρακολουθεί τα επίπεδα του όζοντος στην ατμόσφαιρα. Λίγο μετά την εκτόξευση του ERS-2 το 1995, η ESA αποφάσισε να συνδέσει τους δορυφόρους ERS1 και ERS-2 στην ίδια αποστολή, η οποία είχε συνολική διάρκεια εννέα μήνες. Συγχρονίστηκαν ώστε να τρέχουν γύρω από τη Γη με 24 ώρες διαφορά, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα να παρέρχονται από το ίδιο σημείο ανά 24 ώρες (24h revisit interval). Κατά τη διάρκεια αυτή παρουσιάστηκε αυξημένη συχνότητα στα διαθέσιμα δεδομένα, τα οποία πρόσφεραν την ευκαιρία στους επιστήμονες να παρατηρήσουν τις αλλαγές σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Τον Ιούλιο του 2011 η αποστολή του δορυφόρου ERS-2 έφτασε στο τέλος της (Περάκης, et al., 2015). Ακόμη και μετά τη λήξη της αποστολής, η υψηλή τροχιακή σταθερότητα και ο προσεκτικός λειτουργικός έλεγχος επέτρεψαν την απόκτηση και άλλων ζευγών SAR για όσο καιρό τα δύο διαστημόπλοια βρίσκονταν σε τροχιά (European Space Agency (ESA), 2007). 19

21 1.3.4 Δορυφορικό Σύστημα RADARSAT Ο δορυφόρος Radarsat-1 εκτοξεύτηκε τον Νοέμβριο του 1995 και ο Radarsat-2 τον Δεκέμβριο του Οι δορυφόροι φέρουν έναν ενεργητικό μικροκυματικό αισθητήρα που εγγυάται την συλλογή δεδομένων ανεξαρτήτως καιρικών συνθηκών και συνθηκών φωτισμού. Ο Radarsat-1 λειτούργησε για πέντε χρόνια. Η κεραία SAR έχει την δυνατότητα αλλαγής της προσπίπτουσας γωνίας του σήματος και έτσι το σύστημα γίνεται κατάλληλο για ειδικές εφαρμογές. Με την ευρεία επιλογή της χωρικής διακριτικής ικανότητας που διαθέτει 10 εώς 100m, καλύπτει όλες τις ανάγκες των χρηστών και επιπλέον προσφέρει υψηλή συχνότητα κάλυψης. Τα δεδομένα του Radarsat-1 χρησιμοποιήθηκαν για εφαρμογές στην γεωργία, στη δασολογία, στη γεωλογία, στη χαρτογράφηση, στην υδρολογία, στην ωκεανογραφία, στις παράκτιες περιοχές και στις χρήσεις γης (Μιγκίρος, et al., 2003). Ο Radarsat-2 έχει πολύ καλή χωρική διακριτική ικανότητα, έχει ευελιξία στην επιλογή της πόλωσης καθώς και την δυνατότητα αριστερής και δεξιάς απεικόνισης. Εικόνα 1-7:Οι δορυφόροι RADARSAT-1 και RADARSAT-2 ΠΗΓΗ: (Canadian Space Agency) 20

22 1.3.5 Δορυφορικό Σύστημα JERS Το 1992, οι Ιάπωνες έθεσαν σε πολική τροχιά τον δορυφόρο JERS-1 (Japanese Earth Resources Satellite), ο οποίος φέρει έναν οπτικό δέκτη OS (Optical System - σαρωτής ωστικής σάρωσης) και ένα Radar τύπου SAR. Ο σαρωτής OS φέρει οκτώ φασματικές ζώνες, στο ορατό, κοντινό και μέσο υπέρυθρο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και δίνει εικόνες με διακριτική ικανότητα 18.3*24.2m. Από την πλευρά το SAR λειτουργεί στη μικροκυματική φασματική ζώνη L και δίνει εικόνες Radar σε λωρίδες πλάτους 75km με διακριτική ικανότητα 18m. Οι εικόνες του δορυφόρου βοήθησαν στην καλύτερη ανίχνευση και παρακολούθηση του χερσαίου περιβάλλοντος της Γης (Μιγκίρος, κ.α., 2003). Εικόνα 1-8: Απεικόνιση του δορυφόρου JERS-1, ΠΗΓΗ: (Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)) Δορυφορικό Σύστημα ALOS Το δορυφορικό σύστημα ALOS (Advance Land Observation Satellite) τέθηκε σε τροχιά από τους Ιάπωνες στις 24 Ιανουαρίου το 2006 και αποτέλεσε έναν από τους μεγαλύτερους δορυφόρους του κόσμου. Σκοπός του ALOS ήταν η παρατήρηση της γήινης επιφάνειας ώστε να ενισχυθεί η χαρτογραφία, ο έλεγχος των φυσικών καταστροφών καθώς και η παρατήρηση των χρήσεων γης και των φυσικών πόρων. 21

23 Ο ALOS παρέχει υψηλής ποιότητας δεδομένα με χαμηλό κόστος και φέρει μια σειρά από υψηλής ποιότητας όργανα. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να γίνει αναφορά στο Εικόνα 1-9: Ο δορυφόρος ALOS, ΠΗΓΗ: (Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA)) όργανο PALSAR (Phased Array type L-band Synthetic Aperture Radar) που αποτελεί έναν μικροκυματικό αισθητήρα για την παρατήρηση του εδάφους ημέρα και νύκτα και υπό οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες (Μιγκίρος, et al., 2003). O PALSAR είναι ένας ενεργός αισθητήρας μικροκυμάτων, ο οποίος έχει πολύ καλό σήμα και υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα. Το γεγονός ότι είναι πολυ-πολικός (polarimetry, multipolarization) βελτιώνει την ακρίβεια στην ανάλυση των γεωλογικών δομών. Η πολυ-πόλωση είναι αποτελεσματική στην απόκτηση πληροφοριών για τη βλάστηση Δορυφορικό Σύστημα ENVISAT Το δορυφορικό σύστημα ENVISAT (Environmental Satellite) θεωρείται ο διάδοχος των δορυφόρων ERS-1 και ERS-2 και αποτελεί την πηγή δεδομένων της παρούσας έρευνας. Εκτοξεύτηκε την 1 η Μαρτίου 2002 από το Κούρου στη Γαλλική Γουιάνα και με βάρος που φτάνει τα 8211 kg και με μήκος 10 m αποτελεί το μεγαλύτερο και πολυπλοκότερο διαστημικό σκάφος που έχει κατασκευαστεί ποτέ. Ο δορυφόρος ESA Envisat έχει πολική τροχιά, σύγχρονη με τον ήλιο, σε υψόμετρο περίπου 800 χιλιόμετρα. Ο επαναλαμβανόμενος κύκλος τροχιάς είναι 35 ημέρες και παρέχει πλήρη κάλυψη του πλανήτη μέσα σε μία έως τρεις ημέρες. Τα δεδομένα του Envisat παρέχουν έναν πλούτο πληροφοριών σχετικά με τη λειτουργία του γήινου συστήματος, καθώς και πληροφορίες που δίνουν στους ερευνητές την δυνατότητα να μελετήσουν τους παράγοντες που συμβάλουν στην κλιμάτική αλλαγή. Επιπλέον, τα στοιχεία που επιστρέφονται από το σύνολο των οργάνων καταγραφής του διευκολύνουν την ανάπτυξη διάφορων λειτουργικών και εμπορικών εφαρμογών. 22

24 Στις 8 Απρίλιου του 2012 η επικοινωνία με το διαστημικό σκάφος ENVISAT χάθηκε έχοντας ήδη λειτουργήσει δέκα χρόνια, δηλαδή την διπλάσια χρονική διάρκεια από την προγραμματισμένη διάρκεια ζωής του, και έχοντας κάνει μέχρι τότε τον γύρο της Γης πάνω από φορές. Εκτιμάται ότι πάνω από 2000 επιστημονικές δημοσιεύσεις έχουν βασιστεί σε δεδομένα του συγκεκριμένου δορυφόρου (European Space Agency (ESA), 2012a). Έπειτα από πολυάριθμες προσπάθειες ανάκτησης ελέγχου του δορυφόρου, τελικά στις 9 Μαΐου του 2012, η ESA κήρυξε το τέλος της αποστολής του ENVISAT (European Space Agency (ESA), 2012b). Ο ENVISAT φέρει δέκα περίπλοκα κι εξελιγμένα οπτικά όργανα και Radar για να παρέχουν συνεχή επιτήρηση και παρακολούθηση του έδαφος, της ατμόσφαιρας,των ωκεανών και πάγων της Γης: Εικόνα 1-10: Απεικόνιση των οργάνων του δορυφόρου ENVISAT. ΠΗΓΗ: Aviso Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS): καταγράφει την ηλιακή ακτινοβολία που ανακλάται από την γήινη επιφάνεια, τα σύννεφα και την συγκέντρωση χλωροφύλλης στους ωκεανούς και στα παράκτια δίκτυα. Advanced Along Track Scanning Radiometer (AATSR): καταγράφει τη θερμοκρασία στην επιφάνεια της θάλασσας. Radar Altimeter 2 (RA-2) με Laser Retro-Reflector (LRR): καταγράφει το ύψος των κυμάτων, την ταχύτητα των ανέμων, την τοπογραφία της γης και της θάλασσας. Microwave Radiometer (MWR): Καταγράφει την ποσότητα των ατμοσφαιρικών υδρατμών. 23

25 Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (DORIS): όργανο που χρησιμοποιείται για τον ακριβή εντοπισμό του δορυφόρου στο διάστημα. Global Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) : χρησιμοποιείται για την μέτρηση του όζοντος καθώς και άλλων αερίων της ατμόσφαιρας. Michelson Inteferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS): χρησιμοποιείται για την καταγραφή της ατμοσφαιρικής πίεσης και της θερμοκρασίας. Scanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric Chartography (SCIAMACHY): καταγράφει την περιεκτiκότητα της ατμόσφαιρας σε αέρια. Laser Retro-Reflector (LLR): Επιτρέπει τον ακριβή καθορισμό της τροχιάς του δορυφόρου (ILRS/NASA, 2010, Μιγκίρος, et al., 2003) Εικόνα 1-11: Τα όργανα καταγραφής του δορυφόρου ENVISAΤ, ΠΗΓΗ: 24

26 Ο Envisat διαθέτει ένα προηγμένο Radar συνθετικού ανοίγματος (ASAR) 5, το οποίο λειτουργεί στην μικροκυματική ζώνη C κι εξασφαλίζει την συνέχιση της συλλογής δεδομένων μετά τον ERS-2, παρά τη μικρή κεντρική μετατόπιση συχνότητας. Διαθέτει αυξημένη ικανότητα όσον αφορά την κάλυψη, το εύρος της συχνότητας των γωνιών, την πόλωση, καθώς και τις μεθόδους λειτουργίας του (European Space Agency (ESA), 2007). ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΔΟΡΥΦΟΡΟΥ ENVISAT Sponsor: European Space Agency Expected Life: 5 years Primary Applications: remote sensing and environmental monitoring Primary SLR Applications: POD COSPAR ID: SIC Code: 6179 NORAD SSC Code: Launch Date: 1 March 2002 NP Bin Size: 15 seconds RRA Diameter: 20 cm RRA Shape: Hemispherical Reflectors: 9 corner cubes Orbit: circular, sun-synchronous polar Inclination: degrees Eccentricity: Perigee: 796 km Period: 100 minutes Weight: 8211 kg Πίνακας 1-2: Χαρακτηριστικά του δορυφορικου συστήματος ENVISAT, ΠΗΓΗ: (ILRS/NASA) 5 Αναλυτική περιγραφή του οργάνου καταγραφής ASAR παρέχεται στο Κεφάλαιο 2: Χαρακτηριστικά των Radar Συνθετικού Ανοίγματος (SAR). 25

27 Κύριοι στόχοι του δορυφόρου ENVISAT ήταν (Κωσταρά, 2010): να υπάρξει συνέχεια των παρατηρήσεων που ξεκίνησαν με τους δορυφόρους ERS να ενισχύσει την αποστολή των ERS, ειδικότερα όσον αφορά τους ωκεανούς και τους πάγους να επεκτείνει το φάσμα των παραμέτρων που παρατηρούνται, ώστε να καλυφθούν οι ανάγκες για τον εμπλουτισμό της γνώσης των παραγόντων που επηρεάζουν το περιβάλλον να συμβάλει σημαντικά στην εκπόνηση περιβαλλοντικών μελετών, ιδίως στο τομέα της χημείας της ατμόσφαιρας και των ωκεάνιων μελετών. Εικόνα 1-12: Απεικόνιση του δορυφόρου ENVISAT 26

28 1.3.8 Δορυφορικό Σύστημα TERRASAR-X Ο γερμανικός ενεργός δορυφόρος ΤerraSAR-Χ τέθηκε σε τροχιά επιτυχώς στις 15 Ιουνίου 2007, από το Baikonur στο Καζακστάν. Ο TerraSAR-Χ είναι ο πρώτος γερμανικός δορυφόρος Radar που εφαρμόζεται μέσα σε μια δημόσια - ιδιωτική συνεργασία (PPP) μεταξύ του γερμανικού αεροδιαστημικού κέντρου (DLR) και του κορυφαίου δορυφορικού ειδικού Astrium της Ευρώπης. DLR και Astrium μοιράζονται τις δαπάνες της ανάπτυξης, της κατασκευής και της επέκτασης του δορυφόρου. Με την ενεργό κεραία του, o TerraSAR-X παρέχει υψηλής ποιότητας εικόνες από τη μικροκυμματική ζώνη X-band, ολόκληρου του πλανήτη. Η τροχιά του Εικόνα 1-13: Απεικόνιση του δορυφόρου TERRASAR-X, ΠΗΓΗ: (German Aerospace Center (DLR)) είναι πολική και σε ύψος 514 χλμ. Ο TerraSAR-Χ σχεδιάστηκε για να εκτελέσει το στόχο του για πέντε έτη, ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες και το φωτισμό Δορυφορικό Σύστημα COSMO-SKYMED Το COSMO-SkyMed (COnstellation of small Satellites for the Mediterranean basin Observation Αστερισμός μικρών Δορυφόρων για την Παρατήρηση της Μεσογειακής λεκάνης) είναι ένα δορυφορικό σύστημα παρακολούθησης της γης χρηματοδοτούμενο από το ιταλικό Υπουργείο Έρευνας και το Υπουργείο Αμύνης και διαχειρίζεται από την Ιταλική Υπηρεσία. Η λειτουργία του εξυπηρετεί την παροχή προϊόντων και υπηρεσιών για εφαρμογές περιβαλλοντικού ελέγχου και επιτήρησης για τη διαχείριση εξωγενών, ενδογενών και ανθρωπογενών κινδύνων. Ο αστερισμός αποτελείται από τέσσερις μεσαίου μεγέθους δορυφόρους, ο καθένας από τους οποίους είναι εξοπλισμένος με ένα υψηλής ευκρίνειας ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (SAR) που λειτουργεί στην μικροκυματική ζώνη X. Έχουν τεθεί σε μια ηλιο-σύγχρονη τροχιά σε ύψος περίπου 620km από τη γήινη επιφάνεια, με την ικανότητα να αλλαχτεί η θέση τους προκειμένου να αποκτηθούν εικόνες τόσο από 27

29 την δεξιά όσο και την αριστερή πλευρά της δορυφορικής διαδρομής. Ο COSMO-1 εκτοξεύτηκε στις 8 Ιουνίου του 2007, ο COSMO-2 στις 9 Δεκεμβρίου 2007, ο COSMO- 3 στις 25 Οκτωβρίου 2008 και ο COSMO-4 στις 5 Νοεμβρίου του Εικόνα 1-14: Ο αστερισμός δορυφόρων COSMO-SkyMed, ΠΗΓΗ: (G-AVE Technology Corp.) Δορυφορικό Σύστημα SENTINEL-1 Ο δορυφόρος Sentinel-1Α εκτοξεύτηκε στις 3 Απριλίου 2014 και ο Sentinel-1Β στις 25 Απριλίου του Η προσδοκώμενη διάρκεια αποστολής είναι τα 7 έτη. Είναι ηλιοσύγχρονου τύπου και κυκλικής τροχιάς, το υψόμετρο τροχιάς είναι 693 χιλιόμετρα και η κλίση του είναι 98,18 ο ενώ το όχημα εκτόξευσης είχε την ονομασία Soyuz rocket. Οι διαστάσεις του σκάφους είναι: 3.9 x 2.6 x 2.5 m με το βάρος να φτάνει τα κιλά. Eικόνες του δορυφόρου Sentinel-1 διατίθενται στο διαδίκτυο δωρεάν. O Sentinel-1 είναι ένας δορυφόρoς που έχει ως πρωταρχικούς στόχους την παρακολούθηση της γης και των ωκεανών. Ο στόχος της αποστολής είναι να δώσει συνέχεια στα C-Band SAR μετά και το τέλος της αποστολής του δορυφόρου ERS-2 και του Envisat. Για να επιτευχθεί αυτό, οι δορυφόροι μεταφέρουν έναν αισθητήρα C- SAR, ο οποίος προσφέρει μέσης και υψηλής ευκρίνειας απεικόνιση σε όλες τις καιρικές συνθήκες. Το C-SAR είναι σε θέση να λάβει εικόνες και τη νύχτα αλλά και να 28

30 ανιχνεύει κινήσεις επί του εδάφους, που το καθιστά χρήσιμο για χερσαία και θαλάσσια παρακολούθηση. (Περάκης, et al., 2015) Εικόνα 1-15: Ο δορυφόρος SENTINEL-1. 29

31 2 Χαρακτηριστικά των Radar Συνθετικού Ανοίγματος Τα Δορυφορικά Συστήματα Radar διακρίνονται σε δυο τύπους, στα Radar Πραγματικού Ανοίγματος και στα Radar Συνθετικού Ανοίγματος. Τα Radar Πραγματικού Ανοίγματος (Real Aperture Radars RAR) είναι μη συνεκτικά και ελέγχονται από το φυσικό άνοιγμα της κεραίας. Στα RAR μόνο το πλάτος της ηχούς καταγράφεται και επεξεργάζεται. Με την εκπομπή του κάθε παλμού το σύστημα προχωράει και αποτυπώνεται μια διαφορετική λωρίδα εδάφους. Η τελική εικόνα αποτελεί έναν δισδιάστατο πίνακα δεδομένων. Η χωρική ανάλυση καθορίζεται από το μέγεθος της κεραίας αλλά και από το μήκος κύματος που χρησιμοποιείται. Τα RAR είναι ιδιαίτερα αποδοτικά κυρίως σε αποστολές χαμηλού ύψους ή όταν χρησιμοποιούν μικρά μήκη κύματος καθιστώντας τα όμως αυτόματα ανεπαρκή για ατμοσφαιρικές μελέτες. Εικόνα 2-1:Σύστημα Radar Πραγματικού Ανοίγματος 30

32 Τα Radar Συνθετικού Ανοίγματος (Synthetic Aperture Radar SAR) χαρακτηρίζονται από πολύ καλή διακριτική ικανότητα κατά την διεύθυνση πτήσης ή αλλιώς διεύθυνση αζιμουθίου. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν μικρή κεραία και μεγάλα μήκη κύματος. Τα SAR αναπτύχθηκαν με σκοπό να ξεπεραστεί το μειονέκτημα του πεπερασμένου μήκους κεραίας των συστημάτων RAR (Wiley, 1954). Τα συστήματα Radar Συνθετικού Ανοίγματος συνθέτουν τεχνητά κεραίες ιδιαίτερα μεγάλου μήκους εκμεταλλευόμενα την κίνηση του δορυφόρου και την αρχή του φαινομένου Doppler, με αποτέλεσμα να αυξάνεται σημαντικά η χωρική διακριτική ικανότητα (Μερτίκας, 1999). Κατά την διάρκεια της διαδρομής του, το σύστημα εκπέμπει και λαμβάνει μια ακολουθία παλμών. Έπειτα, καταγράφοντας και συνδυάζοντας κάθε ένα από τα σήματα, δημιουργείται ένα συνθετικό άνοιγμα της κεραίας. Εικόνα 2-2: Σύστημα Radar Συνθετικού Ανοίγματος 2.1 Γεωμετρία των Radar Συνθετικού Ανοίγματος Στα Radar Συνθετικού Ανοίγματος η λήψη των απεικονίσεων πραγματοποιείται είτε κατά την ανοδική τροχιά (ascending orbit) είτε κατά την καθοδική τροχιά (descending orbit) του δορυφόρου 6. Η περιοχή στην επιφάνεια που σαρώνεται καθέτως προς την τροχιά ονομάζεται πλάτος λωρίδας κάλυψης (Swath) ενώ η διεύθυνση εκπομπής και λήψης του σήματος καλείται διεύθυνση παρατήρησης (Line Of Sight LOS) και η γωνία από το ναδίρ 7 έως τον στόχο στο έδαφος καλείται γωνία παρατήρησης (look angle). Η γωνία αυτή είναι πολύ σημαντική καθώς επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την ένταση της οπισθοσκέδασης (backscattering) των στόχων της επιφάνειας (Φουμέλης, 2009). Η γωνία πρόσπτωσης καθώς και η τοπική γωνία πρόσπτωσης αντιστοιχούν στις 6 Η ανοδική τροχιά έχει κατεύθυνση από τον Νότο προς τον Βορρά και η καθοδική τροχιά από τον Βορρά προς τον Νότο. 7 Η προβολή του δέκτη πάνω στην γήινη επιφάνεια. 31

33 γωνίες μεταξύ της διεύθυνσης παρατήρησης και της κατακορύφου στο ελλειψοειδές και την μορφολογία αντιστοίχως. Η διεύθυνση κίνησης του δορυφόρου καλείται διεύθυνση αζιμούθιου της απεικόνισης (along track ή azimuth direction) ενώ η κάθετη προς την διεύθυνση του αζιμούθιου της απεικόνισης καλείται διεύθυνση της πλάγιας απόστασης της απεικόνισης (across track ή range direction). Η προβολή της πλευρικής απόστασης πάνω στην Γη καλείται γήινη πλευρική απόσταση (ground range) ενώ η πλευρική απόσταση κατά μήκος της διεύθυνσης παρατήρησης ονομάζεται κεκλιμένη απόσταση (slant range). Εικόνα 2-3: Γεωμετρία των Radar Συνθετικού Ανοίγματος Τα συστήματα SAR εκπέμπουν παλμούς με σταθερή ταχύτητα, τη σταθερή συχνότητα επανάληψης (PRF), σε εύρος συχνοτήτων MHz-GHz, με στόχο να φτάσουν τα αντικείμενα παρατήρησης στην επιφάνεια της γης. Η συχνότητα και το μήκος κύματος εξαρτώνται από την πλατφόρμα που χρησιμοποιεί το Radar καθώς επίσης και τις εφαρμογές για τις οποίες είναι κατασκευασμένος ο εκάστοτε δορυφόρος (Νεοκοσμίδης, 2014). Σημαντικό παράγοντα που επηρεάζει τα χαρακτηριστικά της οπισθοσκέδασης ενός στόχου αποτελεί επίσης η πόλωση του εκπεμπόμενου παλμού. Το διάνυσμα Ε του ηλεκτρικού πεδίου του εκπεμπόμενου παλμού μπορεί να πολωθεί είτε στο 32

34 κατακόρυφο είτε στο οριζόντιο επίπεδο. Συνήθως η πόλωση διατηρείται η ίδια μετά την πρόσπτωση του παλμού στο έδαφος με αποτέλεσμα να προκύπτουν εικόνες παράλληλης πόλωσης που αντιστοιχεί είτε σε ΗΗ (Horizontal Horizontal, οριζόντια εκπομπή, οριζόντια επιστροφή) είτε σε VV (Vertical Vertical, κατακόρυφη εκπομπή, κατακόρυφη λήψη) (Μερτίκας, 1999). Εικόνα 2-4: Είδη πόλωσης Η λήψη εικόνων παράλληλης πόλωσης προτιμάται καθώς παρέχουν πιο ισχυρά σήματα επιστροφής (Κουρκούλη, 2010). Συμβαίνει όμως πολλές φορές η τραχύτητα του εδάφους να οδηγήσει σε μεταβολή της αρχικής πόλωσης της ακτινοβολίας με αποτέλεσμα την λήψη εικόνων εγκάρσιας πόλωσης HV (Horizontal Vertical, οριζόντια εκπομπή, κάθετη επιστροφή) VH (Vertical Horizontal, κάθετη εκπομπή, οριζόντια επιστροφή). Η χωρική διακριτική ικανότητα ενός συστήματος Ραντάρ είναι η ελάχιστη απόσταση δύο αντικειμένων - στόχων που μπορούν να διακριθούν σε μία εικόνα και είναι συνάρτηση συγκεκριμένων ιδιοτήτων της μικροκυματικής ακτινιβολίας και της γεωμετρίας της εικονοληψίας. Εξαρτάται από το μήκος κύματος του παλμού (λ) στην διεύθυνση της κεκλιμένης απόστασης, που είναι κάθετη στη διεύθυνση του δορυφόρου και από το πλάτος σάρωσης της επιφάνειας στην διεύθυνση του αζιμούθιου, που είναι παράλληλη της τροχιάς του δορυφόρου. Ως εκ τούτου, ορίζονται δύο χωρικές διακριτικές ικανότητες, της απόστασης (range ή across track resolution), η οποία καθορίζεται από το μήκος του παλμού, και του αζιμούθιου (azimuth or along track resolution), η οποία καθορίζεται από το εύρος σάρωσης της επιφάνειας από τη δέσμη μικροκυμάτων που δημιουργείται από το γωνιακό πλάτος του σήματος και την κεκλιμένη επιφάνεια (slant range distance) (Νεοκοσμίδης, 2014). 33

35 Μια SAR απεικόνιση αποτελεί τη μονοδιάστατη προβολή στην διεύθυνση των κεκλιμένων αποστάσεων, της τρισδιάστατης ανακλαστικότητας μιας περιοχής στην επιφάνεια. Το αζιμούθιο και οι κεκλιμένες αποστάσεις αποτελούν τις φυσικές συντεταγμένες της απεικόνισης, παράμετροι που ορίζουν την γεωμετρία της συνθετικής απεικόνισης (slant range geometry ή range Doppler geometry) (Φουμέλης, 2009). Εικόνα 2-5: Σύστημα συντεταγμένων των Radar Συνθετικού Ανοίγματος 2.2 Παραμορφώσεις των απεικονίσεων Radar Συνθετικού Ανοίγματος Λόγω της γεωμετρίας της παρατήρησης και του αναγλύφου της επιφάνειας αναμένεται μια σειρά παραμορφώσεων στις απεικονίσεις SAR. Οι παραμορφώσεις αυτές οφείλονται κυρίως στην πλάγια λήψη, αφού οι αποστάσεις μετρούνται ως προς την κεκλιμένη απόσταση (slant range) και όχι ως προς την εδαφική απόσταση (ground range), την δισδιάστατη χωρική διακριτική ικανότητα αλλά και την ιδιότητα των Radar να χρησιμοποιούν τον χρόνο ως μέγεθος μέτρησης αποστάσεων. Οι τύποι 34

36 παραμορφώσεων που παρατηρούνται στις SAR απεικονίσεις παρατίθενται παρακάτω: Tο φαινόμενο της σμίκρυνσης (foreshortening): Όταν η κλίση μιας επιφάνειας που είναι στραμμένη προς την κεραία είναι μικρότερη από την γωνία πρόσπτωσης της δεσμης του Radar τότε παρατηρείται το φαινόμενο της Σμίκρυνσης. Το φαινόμενο αυτό προκαλεί τη συμπίεση των επιφανειών, που έχουν κλίση προς την κεραία, σε διεύθυνση εγκάρσια στο ίχνος της τροχιάς του δορυφόρου. Το επιστρεφόμενο σήμα ενισχύεται σε αυτές της περιπτώσεις και η μέγιστη ενίσχυση παρατηρείται όταν η κλίση της επιφάνειας είναι κάθετη στην δέσμη του Radar. Εικόνα 2-7: Το φαινόμενο της Σμίκρυνσης Εικόνα 2-6: Απεικόνιση με το φαινόμενο της Σμίκρυνσης Tο φαινόμενο της αναστροφής (layover): Όταν σε μια περιοχή εντοπίζονται πολλές μεγάλες και απότομες κλίσεις τότε φθάνει πρώτα το σήμα από τα σημεία της επιφάνειας με μεγαλύτερο υψόμετρο, οπισθοσκεδάζεται και φθάνει νωρίτερα πίσω στον δέκτη, ενώ το σήμα από τα χαμηλότερα υψομετρικά σημεία φθάνει αργότερα στο δορυφόρο. Στο αποτέλεσμα που προκύπτει η διάταξη των σημείων της απεικόνισης είναι αντίθετη από αυτή της πραγματικότητας. 35

37 Εικόνα 2-9: Το φαινόμενο της Αναστροφής Εικόνα 2-8: Απεικόνιση με το φαινόμενο της Αναστροφής Το φαινόμενο της σκίασης (shadow): Το φαινόμενο αυτό παρατηρείται κυρίως στις πλαγιές των ορεινών όγκων με κλίσεις μεγαλύτερες από την γωνία διόπτευσης (depression angle) 8, οι οποίες δεν είναι ορατές από τον δορυφόρο και έχουν αντίθετο προσανατολισμό από την διεύθυνση λήψης του, με αποτέλεσμα να φαίνονται σαν υπό σκιά. Εικόνα 2-10: Απεικόνιση με το φαινόμενο της Σκίασης Εικόνα 2-11: Το φαινόμενο της Σκίασης 8 Συμπληρωματική γωνία της γωνίας φωτισμού (Illumination Angle) 36

38 Ένα μέρος των παραμορφώσεων αυτών μπορούν σχετικά εύκολα να αφαιρεθούν με τις κατάλληλες γεωμετρικές διορθώσεις χρησιμοποιώντας ψηφιακά μοντέλα εδάφους (DEM). 2.3 Όργανο καταγραφής Advanced Synthetic-Aperture Radar (ASAR) Το όργανο καταγραφής ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar) είναι ένα υψηλής ανάλυσης όργανο Radar που φέρει ο δορυφόρος ENVISAT. Κύριος στόχος του είναι η παρακολούθηση της Γης και η συλλογή πληροφοριών σχετικά με: τα χαρακτηριστικά των ωκεανών το χιόνι και την έκταση του πάγου την τοπογραφία τις ιδιότητες της επιφάνειας του εδάφους την υγρασία του εδάφους και την έκταση των υγροτόπων την αποψίλωση των δασών, και την έκταση των περιοχών της ερήμου την παρακολούθηση φυσικών καταστροφών (πλημμύρες, σεισμοί, κλπ) Το κύριο πλεονέκτημα της χρήσης ενός οργάνου SAR για αυτές τις εργασίες γεωσκόπησης είναι η ικανότητά του να λαμβάνει εικόνες ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες, την νεφοκάλυψη και τις συνθήκες ηλιακού φωτισμού. Λαμβάνοντας υπόψη κυρίως τις παρατηρήσεις καταστροφών όπως οι πλημμύρες, που συνήθως συμβαίνουν κατά τη διάρκεια των επίμονων δυσμενών καιρικών συνθηκών, αυτή η ανεξαρτησία είναι ζωτικής σημασίας. Το όργανο ASAR μετρά το οπισθοσκεδαζόμενο σήμα από την επιφάνειας της Γης σε C -band με μια επιλογή μεταξύ πέντε τρόπων πόλωσης : VV, HH, VV / HH, HV / HH, ή VH / VV. Η ονομαστική χωρική του ανάλυση αντιστοιχεί σε 30 m ενώ η λωρίδα κάλυψης της λειτουργίας Εικόνας (Image Mode) είναι 100 km και της λειτουργίας Κύματος (Wave Mode) 5 km, όντας το ίδιο με την Λειτουργία εικόνας του ERS. Επίσης διαθέτει επαναληπτική τροχιά κάθε 35 ημέρες. 37

39 Σε σύγκριση με το Active Microwave Instrument (AMI) των ERS-1 και ERS-2, το ASAR είναι ένα σημαντικά πιο προηγμένο όργανο που χρησιμοποιεί μια σειρά από νέες τεχνολογικές εξελίξεις. Εικόνα 2-12: Το όργανο καταγραφής ASAR στο EADS Astrium Ltd., ΠΗΓΗ: European Space Agency (ESA) Οι προκύπτουσες βελτιώσεις περιλαμβάνουν τη δυνατότητα να παρέχει περισσότερα από 400 χιλιόμετρα ευρεία λωρίδα κάλυψης, χρησιμοποιώντας τεχνικές ScanSAR, και τη λειτουργία εναλλασσόμενης πόλωσης επιτρέποντας λήψεις που θα αντιστοιχούν ταυτόχρονα σε κάθετη (V) και οριζόντια (H) πόλωση. Εικόνα 2-13: Καταγραφή του οργάνου ASAR Το όργανο καταγραφής ASAR έχει πέντε διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας και με την αξιοποίηση των συνδυασμών πόλωσης και γωνίας πρόσπτωσης, προσφέρει 37 διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας για υψηλή, μεσαία (Λειτουργία Ευρείας 38

40 Λωρίδας Κάλυψης), και μειωμένη (Λειτουργία Παγκόσμιας Παρακολούθησης) ανάλυση. Το όργανο ASAR διαθέτει τις ακόλουθες λειτουργίες (modes): Λειτουργία Εικόνας (Image Mode) Λειτουργία Ευρείας Λωρίδας Κάλυψης (Wide Swath Mode) Λειτουργία Κύματος (Wave Mode) Λειτουργία Εναλλασσόμενης Πόλωσης (Alternating Polarisation) Λειτουργία Παγκόσμιας Παρακολούθησης (Global Monitoring) Στη λειτουργία εικόνας (Image Mode - IM) το ASAR συλλέγει δεδομένα από σχετικά στενές λωρίδες (Swaths) της τάξεως των 100 km μέσα σε μια περιοχή θέασης περίπου 485 km, με υψηλή χωρική ανάλυση που αντιστοιχεί σε 30 m. Στη λειτουργία ευρείας λωρίδας κάλυψης (Wide Swath) χρησιμοποιείται η τεχνική σάρωσης ScanSAR και συλλέγονται δεδομένα για πολύ ευρύτερες λωρίδες κάλυψης (400 km) με χαμηλότερη όμως χωρική ανάλυση (150 m). Στη λειτουργία Wave το ASAR μετρά τις αλλαγές στην οπισθοσκέδαση από τον ωκεανό οι οποίες οφείλονται κυρίως σε επιφανειακά κύματα. Η λειτουργία εναλλασσόμενης πόλωσης (Alternating Polarisation) προσφέρει την δυνατότητα απεικόνισης με εναλλασσόμενη πόλωση κατά τη μετάδοση και λήψη. Η χωρική ανάλυση είναι ίση με εκείνη της λειτουργίας εικόνας. Στη λειτουργία της παγκόσμιας παρακολούθησης (Global Monitoring), μια μεγάλη λωρίδα κάλυψης (400 km) απεικονίζεται με 1000 m χωρική ανάλυση. Image Mode (IM) Alternating Polarisation Mode (AP) Πόλωση VV ή HH, εικόνες από οποιαδήποτε από τις 7 διαθέσιμες λωρίδες κάλυψης, πλάτος λωρίδας κάλυψης μεταξύ 56 km (λωρίδα 7) και 100 km (λωρίδα 1) κατά μήκος τροχιάς (across-track), Χωρική ανάλυση περίπου 30 m. Δύο συμπροσαρμοσμένες (coregistered) εικόνες ανά λήψη, από οποιαδήποτε από τις 7 διαθέσιμες λωρίδες κάλυψης, πόλωση HH / VV, HH / HV, ή VV / VH, Χωρική ανάλυση περίπου 30 m. 39

41 Wide Swath Mode (WS) Global Monitoring Mode (GM) Wave Mode (WV) 400 km λωρίδα κάλυψης, Χωρική ανάλυση περίπου 150 m, πόλωση VV ή HH. Χωρική ανάλυση περίπου 1000 m, πόλωση HH ή VV. Παγκόσμια παρακολούθηση του χαρακτηριστικά, όπως πάγο ή κάλυψης χιονιού, η αποψίλωση των δασών, η ερημοποίηση ή υγρασία. Ένα μικρό imagette (διαστάσεις κυμαίνονται μεταξύ 10km Χ 5km έως 5km Χ 5km) αποκτάται ανά διαστήματα των 100km κατά μήκος της τροχιάς (along-track), Πόλωση HH ή VV. Οι Imagettes μετατρέπεται σε κύμα φάσματα για την παρακολούθηση των ωκεανών. Πίνακας 2-1: Οι λειτουργίες του οργάνου ASAR (τροποποιημένο από European Space Agency (ESA)) Operating Mode -> Parameter Image Mode Wide Swath Mode Alternating/Cross Polarization Wave Mode Global Monitoring Polarization VV or HH VV or HH VV/HH, VV or HH VV or HH HH/HV or VV/VH Spatial resolution (alongtrack and cross-track) 28 m x 28 m 150 m x 150 m 29 m x 30 m 28 m x 30 m 950 m x 980 m Radiometric resolution 1.5 db db 2.5 db 1.5 db 1.4 db Swath width up to 100 km 7 subswaths 400 km 5 subswaths up to 100 km 7 subswaths 5 km vignette 7 subswaths >=400 km 5 subswaths Ambiguity ratio (point) along-track across-track Ambiguity ratio (distribution) along-track across-track db db db db db db db db db db db db db db db db db db db db Radiometric stability db db db db db Noise equivalent σ 0-22 to -22 db -21 to -26 db -19 to -22 db -20 to -22 db -32 to -35 db Incidence angle range 15-45º 15-45º 15-45º Center frequency GHz (C-band) PRF 1650 to 2100 Hz Chirp bandwidth up to 16 MHz Antenna size 10 m x 1.3 m (consisting of five 1.3 m x 2 m panels) Operation (duty cycle) up to 30 min/orbit rest of orbit Data rate up to 100 Mbit/s 0.9 Mbit/s Power 1365 W 1200 W 1395 W 647 W 713 W Instrument mass 832 kg Πίνακας 2-2: Αναλυτικά χαρακτηριστικά του οργάνου καταγραφής ASAR και των λειτουργιών του 40

42 Το όργανο ASAR έχει την δυνατότητα να λειτουργεί σαν ένα συμβατικό stripmap SAR ή ως ScanSAR (Karnevi, et al., 1993). ASAR Stripmap Λειτουργία (Image και Wave): Αποτελεί την συνηθέστερη μορφή λειτουργίας Radar Συνθετικού Ανοίγματος. Διαδοχικοί παλμοί μικροκυματικής ακτινοβολίας μεταδίδονται προς το έδαφος σχηματίζοντας μια λωρίδα εδάφους (ground swath). Η κλίση της κεραίας είναι σταθερά ορισμένη ως προς την κατακόρυφη στο ναδίρ 9 και ως προς την διεύθυνση του αζιμουθίου (κατά μήκος της τροχιάς)(azimuth Steering angle). Η γωνία πρόσπτωσης των παλμών στο έδαφος (Incidence Angle) αλλάζει ανάλογα με Εικόνα 2-14: Λειτουργία Stripmap την απόσταση στόχου δέκτη (Slant Range). ASAR ScanSAR Λειτουργία (Alternating Polarisation, Wide Swath, και Global Monitoring): Αποτελεί την απεικόνιση με την μικρότερη διακριτική ικανότητα αλλά με την μεγαλύτερη κάλυψη εδάφους αναφορικά με το πλάτος της. Η απεικόνιση αυτή βασίζεται σε μια τεχνική αλλαγής της γωνίας ανύψωσης της κεραίας (elevation angle), η οποία εκτελείται ηλεκτρονικά από τα στοιχεία της κεραίας. Η αύξηση του πλάτους της απεικόνισης επιτυγχάνεται με την Εικόνα 2-15: Λειτουργία ScanSAR, ΠΗΓΗ: (Bertran Ortiz & Zebker, 2007) μεταβολή της γωνίας πρόσπτωσης (incidence angle) με τέτοιο τρόπο ώστε αντί για μια λωρίδα εδάφους να σαρώνονται περισσότερα μονοπάτια (sub-swaths). 9 ονομάζεται γωνία ανύψωσης ή γωνία φωτισμού (elevation/illumination angle) 41

43 Εικόνα 2-16: Τύποι Σάρωσης του οργάνου ASAR, ΠΗΓΗ: (Louet, 2001) Εικόνα 2-17: Γεωμετρίες Παρατήρησης οργάνου ASAR, ΠΗΓΗ: European Space Agency (ESA) 42

44 Εικόνα 2-18: Λωρίδες Κάλυψης (Swaths) του οργάνου ASAR, ΠΗΓΗ: European Space Agency (ESA) 43

45 3 Συμβολομετρία Radar Συνθετικού Ανοίγματος Η Συμβολομετρία Radar Συνθετικού Ανοίγματος (SAR Interferometry InSAR) είναι μια τεχνική που αξιοποιεί τις διαφορές των οπισθοσκεδασμένων σημάτων που αποκτήθηκαν από λήψεις σε διαφορετικές χρονικές στιγμές κυρίως για την μέτρηση παραμορφώσεων του εδάφους (Goel, 2013). Αναλυτικότερα, η τεχνική της Συμβολομετρίας SAR εκμεταλλεύεται την διαφορά φάσης μεταξύ δύο εικόνων SAR που έχουν αποκτηθεί από διαφορετικές θέσεις και / ή σε διαφορετικούς χρόνους (Bamler & Hartl, 1998; Massonnet & Feigl, 1998; Rosen, et al., 2000). Η φάση σε μια εικόνα SAR είναι ένα συνεκτικό σήμα που περιέχει πληροφορίες σχετικά με την απόσταση μεταξύ ενός στόχου στο έδαφος και της κεραίας του radar, καθώς και πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες του εδάφους (Woldai, et al., 2009). Λόγω της γωνίας της γραμμής παρατήρησης (συνήθως 23 ο ) των συστημάτων SAR, η τεχνική αυτή είναι πιο ευαίσθητη στις κατακόρυφες μετατοπίσεις (Woldai, et al., 2009). Οι διαφορές στην φάση του σήματος σχετίζονται με σημαντικές παραμέτρους, όπως το υψόμετρο του εδάφους, την παραμόρφωση στην επιφάνεια του εδάφους και την επιβράδυνση του σήματος λόγω ατμοσφαιρικών επιδράσεων (Goldstein & Zebker, 1987; Goldstein, et al., 1988; Massonnet & Feigl, 1998; Rosen, et al., 2000; Bürgmann, et al., 2000). Εικόνα 3-1: Συλλογή Δεδομένων Συμβολομετρίας 44

46 Οι πρώτες μελέτες που αφορούσαν στη συμβολομετρία εστίαζαν στην εξαγωγή της τοπογραφίας (Zebker & Goldstein, 1986; Goel, 2013), παράγωντας υψηλής ανάλυσης ψηφιακά μοντέλα αναγλύφου (DEM) (Ferretti, et al., 1997). Κατά τα προηγούμενα έτη η Συμβολομετρία SAR έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για τη διερεύνηση παραμορφώσεων που προκύπτουν από εδαφικές υποχωρήσεις, (Massonnet, et al., 1997; Fielding, et al., 1998; Galloway, et al., 1998; Amelung, et al., 1999; Wright & Stow, 1999; Hoffmann, et al., 2001; Crosetto, et al., 2002), σεισμούς (Massonnet, et al., 1993) και ηφαίστεια (Massonnet, et al., 1995; Hanssen, 2001). Σημαντικό πλεονέκτημα της Συμβολομετρίας SAR είναι το γεγονός ότι επιτρέπει την μέτρηση επιφανειακών μετατοπίσεων ακόμη και της τάξεως του χιλιοστού, καθώς χρησιμοποιούνται μικρά μήκη κύματος (Amelung, et al., 1999; Woldai, et al., 2009; Goel, 2013). Μια εικόνα SAR στην πραγματικότητα αποτελείται από δυο εικόνες: η πρώτη αφορά την ένταση (πλάτος - Amplitude) του επιστρεφόμενου σήματος (εκφράζεται ως μεταβολές στην φωτεινότητα των εικονοστοιχείων) και η δεύτερη απεικονίζει τις τιμές της φάσης (Woldai, et al., 2009). Εικόνα 3-2: Παράδειγμα της εικόνας πλάτους και της φάσης μιας SAR εικόνας του ηφαιστείου της Αίτνας Συχνά η φάση μιας εικόνας SAR από μόνη της δεν χρησιμοποιείται, ωστόσο, αξιοποιείται στην τεχνική της Συμβολομετρίας για την παραγωγή σύνθετων (complex) εικόνων (Elanchi, 1988). 45

47 Εικόνα 3-3: Συμβολομετρική φάση, ΠΗΓΗ: European Space Agency (ESA) Εικόνα 3-4: Συμβολομετρία Radar Συνθετικού Ανοίγματος Ανάλογα με την διάταξη των κεραιών και την μέθοδο λήψης των απεικονίσεων, διακρίνονται διάφορα είδη της Συμβολομετρίας (Νεοκοσμίδης, 2014): Η κατά πλάτος συμβολομετρία (across-track Interferometry) Η κατά μήκος συμβολομετρία (along-track Interferometry) Η επαναληπτική συμβολομετρία (repeat-pass Interferometry) Η διαφορική συμβολομετρία (Differential Interferometry) 46

48 3.1 Βασικές Αρχές Συμβολομετρίας Radar Συνθετικού Ανοίγματος Μια SAR εικόνα αποτελείται από το πραγματικό και το φανταστικό μέρος. Η πληροφορία του πλάτους του επιστρεφόμενου σήματος αντιστοιχεί στο πραγματικό μέρος ενώ η πληροφορία της φάσης του σήματος αντιστοιχεί στο φανταστικό μέρος. Κάθε οικονοστοιχείο φέρει έναν μιγαδικό αριθμό ο οποίος εκφράζεται από την σχέση: Το διάγραμμα κροσσών συμβολής ή αλλιώς το συμβολογράφημα (Interferogram) προκύπτει από τον μιγαδικό πολλαπλασιασμό δυο (ή περισσότερων) SAR απεικονίσεων: Αναλυτικότερα, ο συνδυασμός των δυο εικόνων προκύπτει από τον πολλαπλασιασμό της μιας εικόνας με την συζυγή μιγαδική της άλλης. Το συμβολογράφημα που προκύπτει αποτελείται από ισοπληθείς καμπύλες που χαρακτηρίζουν τις επιφάνειες ίσης φάσης και αποκαλούνται κροσσοί (Fringes) (Fletcher, 2007). SAR Amplitude (0..300) Phase Difference (-pi..pi) 47

49 Εικόνα 3-5: Συμβολογράφημα με την εικόνα Πλάτους και την Διαφορά Φάσης Το σήμα που οπισθοσκεδάζεται από έναν στόχο στην επιφάνεια του εδάφους και λαμβάνεται από ένα σύστημα Ραντάρ σε μία απόσταση R έχει πλάτος Α (amplitude). Το εν λόγω σήμα είναι ημιτονοειδής μορφής ενώ η τιμή της φάσης (φ) του σχετίζεται με τον χρόνο που μεσολάβησε μεταξύ της μετάδοσης και λήψης του σήματος. Η φάση του σήματος ενός Ραντάρ εκφράζεται με την μαθηματική σχέση: Όπου: λ είναι το μήκος κύματος, R η απόσταση μεταξύ δορυφόρου και επιφάνειας του στόχου, φscatter η καθυστέρηση της φάσης λόγω οπισθοσκέδασης και φdelay η καθυστέρηση της φάσης λόγω της ατμοσφαιρικής επίδρασης. Κατά συνέπεια, στα συμβολομετρικά ζεύγη, η απόσταση μεταξύ του δορυφορικού συστήματος και του στόχου στην επιφάνεια της Γης μπορεί να μετρηθεί μέσω της τιμής της διαφορά φάσης των δύο συστημάτων SAR. Αυτή η διαφορά φάσης καλείται 48

50 συμβολομετρική φάση (Interferometric Phase) και οι τιμές της ανήκουν στο διάστημα [π,π). Η μαθηματική σχέση που εκφράζει την συμβολομετρική φάση είναι: Όπου: λ το μήκος κύματος, r1 και r2 η απόσταση των συστημάτων SAR από την επιφάνεια του στόχου το αρνητικό πρόσημο εκφράζει την καθυστέρηση της φάσης του σήματος επιστροφής. Η διαφορά των αποστάσεων δορυφόρου στόχου (Δr) μεταξύ των δύο λήψεων εκφράζεται από τη γεωμετρική σχέση: Επομένως ο μαθηματικός τύπος που εκφράζει την συμβολομετρική φάση ως προς την γεωμετρία του ανύσματος βάσης είναι: Το ύψος του εκάστοτε στόχου από την επιφάνεια συνδέεται με την συμβολομετρική φάση με τη σχέση: για Β << r Το υψόμετρο των στόχων επηρεάζει την συμβολομετρική φάση με αποτέλεσμα στο συμβολογράφημα να εντοπίζονται κροσσοί που αντιστοιχούν σε οντότητες με ίδιο υψόμετρο, σαν ισουψείς καμπύλες (Fletcher, 2007). Η μεταβολή του υψομέτρου μπορεί να προκαλέσει μετατόπιση της συμβολομετρικής φάσης της τάξεως του ενός πλήρους κύκλου (2π). Το μέγεθος αυτό ονομάζεται υψόμετρο της ασάφειας ή υψομετρική ασάφεια (altitude of ambiguity, ha) και εκφράζεται από την σχέση: 49

51 Ένα ακόμα βασικό μέγεθος είναι η συμβολομετρική συνάφεια (interferometric coherence, γ). Η συμβολομετρική συνάφεια αφορά τον βαθμό συσχέτισης μεταξύ του συμβολομετρικού ζεύγους και είναι ιδιαίτερα καθοριστική για την ποιότητα της συμβολομετρικής φάσης. Ουσιαστικά το μέγεθος αυτό αποτελεί μονάδα μέτρησης του θορύβου 10 της φάσης και καθορίζει την ικανότητα διάκρισης κροσσών στο συμβολογράφημα (Touzi, et al., 1999). Η μαθηματική έκφραση της συνοχής είναι (Born & Wol, 1980; Hanssen, 2001): όπου y1, y2 είναι τα συζυγή εικονοστοιχεία των δυο σύνθετων εικόνων και Ε{} είναι ο χωρικός μέσος όρος. Το εύρος των τιμών της συμβολομετρικής συνάφειας κυμαίνεται από 0 έως 1. Τιμές κοντά στην ελάχιστη τιμή υποδηλώνουν μηδενική συσχέτιση (ή πλήρη αποσυσχέτιση) του σήματος η οποία μπορεί να προκύψει από την επίδραση του ανέμου, της βλάστησης και των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, ενώ αντίστοιχα τιμές που πλησιάζουν την μέγιστη τιμή υποδηλώνουν σταθερό σκεδαζόμενο σήμα και κατά συνέπεια, την απόλυτη ταύτιση του φάσματος μεταξύ των απεικονίσεων (Touzi, et al., 1999; Woldai, et al., 2009). Σύμφωνα με τα παραπάνω η συμβολομετρική συνάφεια σχετίζεται με το πόσο θορυβώδης είναι μια περιοχή. Επομένως ο υπολογισμός της συνάφειας σχετίζεται με την εκτίμηση μιας σειράς παραγόντων που αποτελούν πηγές θορύβου της συμβολομετρικής φάσης. Αυτές οι πηγές θορύβου προκαλούν αποσυσχέτιση (decorelation) της συμβολομετρικής φάσης κι εντοπίζονται στον τύπο (Zebker & Villasenor, 1992; Hanssen, 2001): 10 θόρυβος χαρακτηρίζεται κάθε είδους ανεπιθύμητη ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή η οποία μειώνει την ικανότητα του συστήματος να ανιχνεύει ασθενικά σήματα (Φουμέλης, 2009) 50

52 γ total = γ temporal γ geometric γ volume γ processing γ noise γ DC Όπου: γ temporal: αφορά στην χρονική αποσυσχέτιση του σήματος που προκύπτει από φυσικές αλλαγές στο έδαφος οι οποίες επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας των σκεδαστών. γ geometric: εκφράζει την γεωμετρικά μη συσχετιζόμενη συνάφεια που προκύπτει από διαφορά στις γωνίες εικονοληψίας των δυο συστημάτων για την ίδια γεωγραφική περιοχή. γ volume: εκφράζει την αποσυσχέτιση όγκου (volume decorrelation) που παρατηρείται όταν αντικείμενα καταλαμβάνουν μεγάλο μέρος της επίπεδης επιφάνειας του συμβολογραφήματος. γ processing: εκφράζει την αποσυσχέτιση που προκαλείται από τον επεξεργαστή SAR (SAR processor) για την παραγωγή των απεικονίσεων αλλά και της επεξεργασίας του σήματος για την εκτίμηση της συνάφειας. γ noise: εκφράζει την αποσυσχέτιση λόγω θερμικού θορύβου (thermal noise) εντός του αισθητήρα. γ DC: εκφράζει την αποσυσχέτιση από διαφορετικά Doppler κεντροειδή (Doppler Centroids) ή αλλιώς λόγω μερικής επικάλυψης του φάσματος μεταξύ δύο SAR απεικονίσεων στην διεύθυνση του αζιμούθιου. 3.2 Πηγές Αποσυσχέτισης Συμβολομετρικής Φάσης Παρακάτω επεξηγούνται αναλυτικά οι σημαντικότεροι παράγοντες αποσυσχέτισης της συμβολομετρικής φάσης. Ατμοσφαιρικές Επιδράσεις: Οι ατμοσφαιρικές επιδράσεις αποτελούν την σημαντικότερη πηγή σφαλμάτων κατά την εφαρμογή της συμβολομετρίας και οφείλονται στην καθυστέρηση του μήκους κύματος του σήματος λόγω ατμοσφαιρικών φαινομένων. Οι παράγοντες που συμβάλλουν κατά βάση στην εμφάνιση αυτής της κατηγορίας θορύβου αντιστοιχούν σε διαφορετική 51

53 ατμοσφαιρική υγρασία, θερμοκρασία και πίεση μεταξύ δυο λήψεων (Φουμέλης, 2009). Χρονική Αποσυσχέτιση: Η χρονική αποσυσχέτιση (temporal decorrelation) προκαλείται από τις αλλαγές που έχουν επέλθει στην περιοχή ενδιαφέροντος κατά την χρονική περίοδο που μεσολαβεί μεταξύ των δύο λήψεων. Συνήθως αυτό το είδος αποσυσχέτισης παρατηρείται σε περιοχές όπου εντοπίζονται υδάτινες μάζες και πυκνή βλάστηση αφού σε αυτές τις περιπτώσεις οι ιδιότητες των σκεδαστών και κατά συνέπεια τα χαρακτηριστικά του επιστρεφόμενου σήματος μπορούν να μεταβληθούν μέσα σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, ακόμα και λεπτών. Ο θόρυβος αυτός μπορεί επίσης να οφείλεται σε μεταβολές της κάλυψης γης και σε αλλαγές στον αστικό ιστό. Η λύση σε τέτοιες περιπτώσεις είναι η επιλογή εικόνων με μικρότερες χρονικές διαφορές μεταξύ τους. Χωρική Αποσυσχέτιση: Ένα είδος χωρικής αποσυσχέτισης αποτελεί η γεωμετρική αποσυσχέτιση (geometric decorrelation) ή αποσυσχέτιση ανύσματος βάσης (baseline decorrelation), η οποία αποτελεί τον λόγο απώλειας συνάφειας εξαιτίας διαφορών στην γεωμετρία λήψης των εικόνων και την αποσυσχέτιση όγκου (Φουμέλης, 2009; Μπενέκος, 2012; Νεοκοσμίδης, 2014). Το μήκος της εγκάρσιας συνιστώσας του ανύσματος βάσης που προκαλεί μετατόπιση του φάσματος ίση προς το εύρος του συστήματος, οδηγεί σε πλήρη αποσυσχέτιση του σήματος Radar. Πέραν αυτού το κρίσιμου σημείου που καλείται κρίσιμο άνυσμα βάσης (critical baseline) δεν είναι εφικτή η εφαρμογή της τεχνικής της συμβολομετρίας. Στην κατηγορία της χωρικής αποσυσχέτισης ανήκει και η αποσυσχέτιση όγκου (volume decorrelation) η οποία εκφράζει την αποσυσχέτιση λόγω χωρικής σκέδασης (volume scattering) του σήματος Radar. Όπως προαναφέρθηκε, η αποσυσχέτιση όγκου γίνεται αντιληπτή όταν αντικείμενα καταλαμβάνουν μεγάλο μέρος της επίπεδης επιφάνειας του συμβολογραφήματος (π.χ. άνοιγμα κλαδιών δέντρου) (Φουμέλης, 2009). Η χωρική σκέδαση παρατηρείται κατά την διάδοση του σήματος στην μάζα των υλικών και συνδέεται με χωρικές ανομοιογένειες του, σε κλίμακες συγκρίσιμες με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας (Μερτίκας, 1999). 52

54 3.3 Διαφορική Συμβολομετρία Radar Συνθετικού Ανοίγματος Η Διαφορική Συμβολομετρία Radar Συνθετικού Ανοίγματος (Differential Synthetic Aperture Radar Interferometry - DInSAR) είναι μια απομακρυσμένη τεχνική τηλεπισκόπησης με την αποδεδειγμένη ικανότητα να εντοπίζει και να παρακολουθεί παραμόρφωση του εδάφους λόγω φυσικών καταστροφών και ανθρωπογενών δραστηριοτήτων (Massonnet, et al., 1997; Fielding, et al., 1998). Σε αντίθεση με άλλες γεωδαιτικές μεθόδους, που παρέχουν πληροφορίες μόνο σε ορισμένα σημεία μέτρησης, η Διαφορική Συμβολομετρία είναι μια τεχνική που είναι ικανή να παρέχει υψηλής ανάλυσης χάρτες της επιφάνειας παραμόρφωσης με μεγάλη χωρική κάλυψη και τυπικά την ακρίβεια της τάξης των χιλιοστών (mm) (Gabriel, et al., 1989; Bürgmann, et al., 2000; Hanssen, 2001). Εικόνα 3-6:Διαφορική Συμβολομετρία Radar Η Διαφορική Συμβολομετρία Radar αποτελεί τεχνική της Επαναληπτικής συμβολομετρίας (repeat-pass Interferometry) που αποσκοπεί στον υπολογισμό μικρομετακινήσεων της επιφάνειας του εδάφους. Η τεχνική αυτή εφαρμόστηκε πρώτη φορά σε απεικονίσεις Seasat (Gabriel, et al., 1989) για τον υπολογισμό μικρών μεταβολών του υψομέτρου σε μεγάλα πλάτη λωρίδων κάλυψης. Εν συνεχεία, με την πάροδο του χρόνου η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση παραμορφώσεων που οφείλονται σε γεωλογικά αίτια όπως τεκτονικά φαινόμενα (Massonnet, et al., 1993; Zebker, et al., 1994; Peltzer & Rosen, 1995; Elias, et al., 2008; 53

55 Elias, et al., 2009) ηφαιστειακά φαινόμενα (Massonnet, et al., 1995; Amelung, et al., 1999; Elias, et al., 2008; Briole, et al., 2008) και άλλα γεωδυναμικά φαινόμενα (Zebker, et al., 1994; Massonnet & Feigl, 1998) καθώς επίσης λόγω ανθρωπογενών διεργασιών όπως καθιζήσεις (Amelung, et al., 1999). Επίσης με την τεχνική αυτή γίνεται παρακολούθηση των παραμορφώσεων και σε μεγάλης κλίμακας κατασκευές όπως φράγματα, σήραγγες, γέφυρες και οδικά δίκτυα (Van der Kooij, 1999). Εικόνα 3-7: Γεωμετρία Διαφορικής Συμβολομετρίας Radar Η βασική ιδέα που οδήγησε στην εξέλιξη της διαφορικής συμβολομετρίας είναι η παραδοχή ότι η απομάκρυνση του όρου της τοπογραφίας από την παρατηρούμενη συμβολομετρική φάση είναι δυνατή όταν η τοπογραφία είναι γνωστή, επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την απομόνωση της φάσης που σχετίζεται με παραμορφώσεις του εδάφους της επιφάνειας που έλαβαν χώρα στο χρονικό διάστημα μεταξύ των δύο λήψεων (Gabriel et al. 1989). Η συμβολομετρική φάση αποτελείται από το άθροισμα επί μέρους συνιστωσών το οποίο περιγράφεται από την σχέση: 54

56 Δφ = φtopo + φflat+φdisp+φorbit+φatm+φnoise Όπου: φtopo είναι η τοπογραφική φάση, φflat είναι η φάση της επίπεδης Γης που προκαλείται από την γεωμετρία της απεικόνισης, φdisp είναι η φάση λόγω επιφανειακής μετακίνησης, φorbit είναι το σφάλμα φάσης που προκαλείται από ανακρίβεια των τροχιακών δεδομένων, φatm είναι η φάση λόγω ατμοσφαιρικής καθυστέρησης και φnoise η φάση λόγω θορύβου. Η φάση λόγω τοπογραφίας υπολογίζεται με τις εξής μεθόδους: Διαφορική Συμβολομετρία Δυο Περασμάτων (Two-pass differential interferometry): Σε αυτή την μέθοδο χρησιμοποιείται ένα ψηφιακό μοντέλο αναγλύφου (DEM) (Massonnet, et al., 1993). Η μέθοδος αυτή είναι μία από τις πιο εφικτές προσεγγίσεις, δεδομένου ότι υπάρχουν για πολλές περιοχές διαθέσιμα ψηφιακά μοντέλα αναγλύφου DEM, επαρκούς χωρικής ανάλυσης Διαφορική Συμβολομετρία Τριών ή Τεσσάρων Περασμάτων (Three-pass / Four-pass Differential Interferometry): Στην μέθοδο αυτή χρησιμοποιείται ένα ανεξάρτητο συμβολόγραμα, χωρίς να περιέχει τον παράγοντα της φάσης που οφείλεται σε διαφορική παραμόρφωση. Με την εξάλειψη των όρων τοπογραφίας και επίπεδης Γης από την παρατηρούμενη συμβολομετρική φάση και θεωρώντας στην ιδανική περίπτωση αμελητέα την συνεισφορά της ατμόσφαιρας και του θορύβου, η τιμή της διαφορικής πλέον φάσης αντανακλά τις μεταβολές της επιφάνειας στη διεύθυνση της παρατήρησης (LOS) για το εξεταζόμενο χρονικό διάστημα. 55

57 Εικόνα 3-8: Σύνθεση Συμβολογραφήματος με Διαφορική Συμβολομετρία Radar Τα τελευταία χρόνια μια σειρά από τεχνικές έχουν αναπτυχθεί προκειμένου να αναδείξουν τις δυνατότητες της Διαφορικής Συμβολομετρίας (DInSAR). Οι τεχνικές αυτές μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής: Διαφορική Συμβολομετρία (DInSAR) με μόνο ένα συμβολομετρικό ζεύγος Διαφορική Συμβολομετρία (DInSAR) με σώρρευση εικόνων (Stacking) Διαφορική Συμβολομετρία (DInSAR) που βασίζεται στους σταθερούς σκεδαστές (Permanent or Persistent Scatters) (Ferretti, et al., 2001) Διαφορική Συμβολομετρία (DInSAR) που βασίζεται σε υποσύνολα μικρών χωρικών ανυσμάτων βάσης (Small Baseline Subsets SBAS) (Berardino, et al., 2002) 56

58 Παρόλα αυτά η τεχνική της Διαφορικής Συμβολομετρίας (DInSAR) παρουσιάζει κάποιους σημαντικούς περιορισμούς (Parcharidis, et al., 2009) όπως: Ατμοσφαιρικές επιδράσεις λόγω των υδρατμών που υπάρχουν στην τροπόσφαιρα και της πυκνότητας των ηλεκτρονίων που υπάρχουν στην ιονόσφαιρα. Μεγάλα ανύσματα βάσης τα οποία οδηγούν σε χαμηλή συσχέτιση λόγω της φασματικής μετατόπισης των στόχων. Χαμηλή συνάφεια λόγω του μεγάλου διαστήματος μεταξύ των λήψεων των απεικονίσεων. Προβλήματα στο ξετύλιγμα (unwrapping) των συμβολογραφημάτων με μεγάλα ανύσματα βάσης Σώρρευση Διαφορικών Συμβολογραφημάτων (Stacking) Οι ατμοσφαιρικές επιρροές στο σήμα αποτελούν τον σημαντικότερο περιοριστικό παράγοντα αφού είναι δύσκολη η αναγνώριση και απομάκρυνσή τους από τις παρατηρήσεις. Η αντιμετώπιση τους προκύπτει μόνο από την απόρριψη του συγκεκριμένου συμβολογράματος από την τεχνική (Zebker & Rosen, 1997; Tosi, et al., 2002; Parcharidis, et al., 2006). Επίσης, σε περιπτώσεις χαμηλού ρυθμού παραμορφωτικών κινήσεων, η ανάγκη διεύρυνσης του χρονικού παράθυρου παρατήρησης, ώστε να είναι εφικτή η αναγνώριση του σήματος, οδηγεί, συνήθως, σε ανεπιτυχή αποτελέσματα, λόγω της έκτασης του φαινομένου της χρονικής αποσυσχέτισης (Φουμέλης, 2009). Η επίδραση των παραπάνω πηγών αποσυσχέτισης μπορεί να ξεπεραστεί με την χρήση της τεχνικής της Σώρρευσης Διαφορικών Συμβολογραφημάτων (Stacking), που στηρίζεται στον υπολογισμό του μέσου όρου της φάσης ενός συνόλου ανεξάρτητων συμβολογραμάτων στην χρονική διάσταση, για τον περιορισμό ασυσχέτιστων χρονικών διακυμάνσεων της φάσης (Zebker & Rosen, 1997; Fujiwara & Rosen, 1998; Sandwell & Price, 1998; Williams, et al., 1998; Bürgmann, et al., 2000). 57

59 Στην τεχνική αυτή χρησιμοποιείται μια σειρά εκτυλιγμένων συμβογραφημάτων (unwrapped interferograms) και θεωρείται ότι οι ατμοσφαιρικές επιδράσεις παραμένουν σταθερές στο χρονικό διάστημα μεταξύ των λήψεων. Σε αυτή την τεχνική είναι ιδιαίτερα σημαντική η υπόδειξη ενός σημείου αναφοράς το οποίο αποτελεί παράγοντα εντοπισμού της εδαφικής παραμόρφωσης. Η επιλογή του σημείου αναφοράς γίνεται με βάση την συνάφεια αλλά και τις γεωδυναμικές συνθήκες της εκάστοτε περιοχής μελέτης.η τεχνική αυτή είναι ιδιαίτερα αποτελεσματική σε περιβάλλοντα υψηλής συνάφειας όπως είναι οι αστικές περιοχές (Tosi, et al., 2002). Οι θεμελιώδεις αρχές της Σώρευσης Διαφορικών συμβολογραμάτων αποτυπώνουν τον μέσο γραμμικό ρυθμό μεταβολής της διαφορικής φάσης (phase rate). Ο μαθηματικός τύπος που αποτυπώνει τον ρυθμό μεταβολής της διαφορικής φάσης είναι (Hanssen, 2001) :, (Μονάδες μέτρησης: rad/year) Όπου: Wi : ο συντελεστής βαρύτητας στην διαδικασία της τεχνικής στάθμισης και προκύπτει από τα αντίστοιχα χρονικά διαστήματα των συμβολογραμάτων : ο ρυθμός μεταβολής της φάσης φσυμβολογραφήματος : η τιμή της εκτυλιγμένης φάσης στο διαφορικό συμβολογράφημα Βασικό μειονέκτημα της συγκεκριμένης τεχνικής είναι η αδυναμία αναγνώρισης μεταβολών της γραμμικής ταχύτητας μετακίνησης. Αυτό σημαίνει ότι η τεχνική είναι κατάλληλη κυρίως για την παρακολούθηση παραμορφώσεων με σχετικά σταθερούς ρυθμούς. Ένα ακόμη μειονέκτημα της τεχνικής αποτελεί η ανάγκη εκτύλιξης της φάσης των χρησιμοποιούμενων διαφορικών συμβολογραφημάτων, καθώς η διαδικασία αυτή δεν ολοκληρώνεται πάντα με επιτυχία και συχνά προκύπτουν σφάλματα σε αυτό το βήμα επεξεργασίας (Φουμέλης, 2009). 58

60 4 Περιοχή Μελέτης 4.1 Γεωγραφική Τοποθέτηση Η περιοχή μελέτης τοποθετείται στην περιοχή του Δήμου Αμυνταίου που βρίσκεται εντός της εκτεταμέvης vεoγεvoύς λεκάvης Πτoλεμαίδας-Αμυvταίoυ, με μεγαλύτερη έμφαση κυρίως στα περιθώρια τoυ vεότερoυ βυθίσματoς Χειμαδίτιδας Πετρώv. Στην ίδια περιοχή εντοπίζονται και τα λιγνιτικά κοιτάσματα των Αναργύρων. Μεταξύ του Αμυνταίου και της Πτολεμαίδας είναι χωροθετημένο το Λιγνιτορυχείο Αμυνταίου. Τo κovτιvότερo χωριό στο ορυχείο είvαι oι Αvάργυρoι. Οι οικισμοί που εντοπίζονται στην περιοχή μελέτης είναι: Άγιος Παντελεήμονας, Αγραπιδιές, Αετός, Ανάργυροι, Αντιγονεία (Αντίγονο), Ασπρόγεια, Βαλτόνερα, Βαρικό, Βεγόρα, Κέλλη, Κλειδί, Λεβαία (Λακκιά), Λέχοβο, Λιμνοχώρι, Μανιάκι, Νυμφαίο, Ξινό Νερό, Πεδινό, Πελαργός, Πέτρες, Ροδώνας, Σκλήθρο, Φανός, Φαράγγι, Φιλώτας. Παρόλα αυτά, όπως προαναφέρθηκε, δόθηκε μεγαλύτερη έμφαση στην μελέτη της περιοχής Βορειοδυτικά του Ορυχείου καθώς κυρίως αυτή επηρεάζεται από την δραστηριότητα του (Αγγελίτσα, 2011; Loupasakis, et al., 2014). Εικόνα 4-1: Περιοχή Μελέτης, εικόνα από την πλατφόρμα Google Earth 59

61 Εικόνα 4-2: Χάρτης Περιοχής Μελέτης, οριοθετημένης στο αποτύπωμα των δορυφορικών δεδομένων 60

62 4.2 Γενικά Στοιχεία - Ανθρωπογεωγραφία Ο Δήμος Αμυνταίου βρίσκεται στο νοτιοδυτικό τμήμα του Νομού Φλώρινας και ανήκει στην Περιφέρεια Δυτικής Μακεδονίας που συστάθηκε με το Πρόγραμμα Καλλικράτης. Προέκυψε από την συνένωση των προϋπαρχόντων δήμων Αμυνταίου, Φιλώτα και Αετού και των Κοινοτήτων Λεχόβου, Νυμφαίου και Βαρικού. Αναλυτικά, οι πρώην ΟΤΑ που συγκροτούν το σημερινό Δήμο Αμυνταίου είναι οι εξής : Αμυνταίο (έδρα δήμου) Δημοτικό Διαμέρισμα Αγίου Παντελεήμονα Δημοτικό Διαμέρισμα Κέλλης Δημοτικό Διαμέρισμα Kλειδίου Δημοτικό Διαμέρισμα Ξινού Νερού Δημοτικό Διαμέρισμα Πετρών Δημοτικό Διαμέρισμα Ροδώνα Δημοτικό Διαμέρισμα Φανού Στο Δήμο Αμυνταίου συμπεριλαμβάνονται οι οικισμοί: Άγιος Παντελεήμονας, Αγραπιδιές, Αετός, Ανάληψη, Ανάργυροι, Αντιγονεία (Αντίγονο), Ασπρόγεια, Βαλτόνερα, Βαρικό, Βεγόρα, Κέλλη, Κλειδί, Λεβαία (Λακκιά), Λέχοβο, Λιμνοχώρι, Μανιάκι, Νυμφαίο, Ξινό Νερό, Πεδινό, Πελαργός, Πέτρες, Ροδώνας, Σκλήθρο, Σωτήρας, Φανός, Φαράγγι, Φιλώτας. Η έκταση του νέου Δήμου είναι 599,6 km 2 και ο πληθυσμός του άτομα, σύμφωνα με την απογραφή του 2011 ( κάτοικοι σύμφωνα με την απογραφή του 2001). Έδρα του νέου δήμου ορίστηκε το Αμύνταιο και ιστορική έδρα το Νυμφαίο. 61

63 Εικόνα 4-3: Μεταβολή πληθυσµού ανά νέο ήµο για την Περιφέρεια της υτικής Μακεδονίας, ΠΗΓΗ: ΠΠΧΣΑΑ Περιφέρειας υτικής Μακεδονίας, /νση Χωροταξίας, ΥΠΕΚΑ, 2003 Στην περιοχή μελέτης, συναντώνται περιοχές που ανήκουν στο δίκτυο Natura 2000 και είναι οι ευρύτερες περιοχές των λιμνών Βεγορίτιδας και Πετρών, ενώ λειτουργεί το λιγνιτωρυχείο Αμυνταίου της ΔΕΗ. Το μεγαλύτερο ποσοστό της έκτασης του Δήμου κατέχουν οι καλλιεργούμενες και δασικές εκτάσεις και οι αγραναπαύσεις. Παρακάτω παρατίθεται ο χάρτης κάλυψης γής της περιοχής μελέτης σύμφωνα με το πρόγραμμα CORINE

64 Εικόνα 4-4: Χάρτης Κάλυψης Γης (CORINE 2000) ευρύτερης Περιοχής Μελέτης 63

65 Εικόνα 4-5: Απόσπασµα ιαγράµµατος 1 «Εθνικό Πρότυπο Χωροταξικής Οργάνωσης της Βιοµηχανίας» (Πηγή: Ειδικού Πλαισίου Χωροταξικού Σχεδιασµού & Αειφόρου Ανάπτυξης για τη Βιοµηχανία) 64

66 Εικόνα 4-6: Πολεοδομικό Σχέδιο Δήμου Αμυνταίου, ΠΗΓΗ: Γαία Α.Ε. Μελετών 65

67 4.3 Γεωμορφολογία Η περιοχή του Δήμου χαρακτηρίζεται ως ορεινή ημιορεινή με εξαίρεση τις περιοχές του Αμυνταίου και του Ροδώνα, οι οποίες είναι κατά κύριο λόγο πεδινές. Οι ορεινοί όγκοι που οριοθετούν την περιοχή μελέτης είναι το όρος Βίτσι στο δυτικό τμήμα, νοτιοδυτικά το όρος Άσκιο και ανατολικά το Βέρμιο. Ο επιφαvειακός υδρoκρίτης πoυ oριoθετεί την περιοχή μελέτης διέρχεται βoρείως παράλληλα πρo τηv γραμμή Αετός - Ξυvό Νερό, από τηv κoρυφή Μαύρη Πέτρα πρoς τα χωριά Κλειδί, Κέλλη μέχρι τηv κoρυφή m. Στη συvέχεια περvάει από τα υψώματα μεταξύ λίμvης Πετρώv και Βεγoρίτιδας παράλληλα πρoς τηv όχθη της Βεγoρίτιδας. Νoτιoαvατoλικά καθoρίζεται από τα χαμηλά υψώματα στηv γραμμή Βεγόρα - Λακκιά - Φιλώτας, vότια της Χειμαδίτιδας και τηv περιoχή της εξωτερικής απόθεσης τoυ Ορυχείoυ. Τέλoς στα δυτικά σχηματίζεται από τα υψώματα πoυ περικλείoυv τη Ζάζαρη, τηv Χειμαδίτιδα και τηv περιoχή τoυ Σκλήθρoυ. (Δημητρακόπουλος, 2001). Χαρακτηριστικό της περιoχής είvαι η παρoυσία 3 υπoλειμματικώv λιμvώv: της Ζάζαρης (έκταση 2 Km 2, μέγιστo βάθoς 15 m, υψόμετρo +602 m) και της Χειμαδίτιδας (έκταση 10 Km 2, μέγιστo βάθoς 5 m, υψόμετρo +592 m) στα δυτικά και της λίμvης Πετρώv (έκταση 12.5 Km 2, μέγιστo βάθoς 5 m, υψόμετρo +573 m) βόρεια. Σημαvτική επίσης είvαι η ύπαρξη της λίμvης Βεγoρίτιδας, πoυ είvαι o τελικός απoδέκτης τωv vερώv της περιoχής και έχει έκταση 58 Km 2 και μέγιστo βάθoς 50 m, εvώ η στάθμη της βρίσκεται στα m (1992) με τάση συvεχoύς μείωσης (Iαv ,71 m) (Ζουρνατζίδου, 2011). Η λεκάvη Χειμαδίτιδας - Πετρώv όπως και η υπoλεκάvη Ζάζαρης, δεv έχoυv φυσική επιφανειακή απoρρoή. Με τηv επέμβαση όμως τoυ αvθρώπoυ η υπoλεκάvη Ζάζαρης εvώθηκε με τάφρo με τη λίμvη Χειμαδίτιδα και αυτή στηv συvέχεια απέκτησε, με τηv κατασκευή της τάφρoυ Χειμαδίτιδας - Πετρώv, διέξoδo πρoς τηv λίμvη Πετρώv, η oπoία με τηv σειρά της συvδέθηκε με τη λίμvη της Βεγoρίτιδας με μιά μικρή τάφρo καλυμμέvη κατά έvα τμήμα της. 66

68 Το σύμπλεγμα των λιμνών Ζάζαρης, Χειμαδίτιδας, Πετρών και Βεγορίτιδας αποτελεί το πιο αξιόλογο, εκτενές και πλούσιο σε χλωρίδα και πανίδα στοιχείο του φυσικού περιβάλλοντος του Δήμου Αμυνταίου. Και οι τέσσερις λίμνες έχουν χαρακτηρισθεί ως Περιοχές Κοινοτικού Ενδιαφέροντος στο Ευρωπαϊκό Οικολογικό Δίκτυο Natura 2000, ενώ υδρολογικά συνδέονται μεταξύ τους μέσω τάφρων, ρεμάτων, αγωγών και σηράγγων. Τo υδρoγραφικό δίκτυo δεv είvαι αvεπτυγμέvo καθώς στoυς oρειvoύς όγκoυς στo βόρειo περιθώριo της λεκάvης επικρατoύv καρστικoί σχηματισμoί. Ο μovαδικός πoταμός πoυ διασχίζει τo πεδιvό τμήμα της λεκάvης είvαι o Αμύvτας, πoυ απoστραγγίζει, μέσω της κεvτρικής απoχετευτικής τάφρoυ και συστήματoς δευτερευόvτωv καvαλιώv, τo πρώηv έλoς Χειμαδίτιδας πoυ κάλυπτε τηv έκταση βορειοανατολικά της oμώvυμης λίμvης. (Δημητρακόπουλος, 2001) Εικόνα 4-7: Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους της ευρύτερης περιοχής μελέτης με δεδομένα ASTER GDEM. Πηγή ψηφιακού μοντέλου εδάφους: NASA και ΜΕΤΙ. 67

69 4.4 Γεωλογία Η περιοχή μελέτης ανήκει στo βoρειoδυτικό τμήμα της κλειστής λεκάvης Πτoλεμαϊδας (Βεγoρίτιδας). Από γεωλoγική άπoψη απoτελεί μια εvιαία μovάδα με τηv κλειστή λεκάvη Πτoλεμαίδας, όπως και με τηv βoρειότερα ευρισκόμεvη λεκάvη της Φλώριvας. Ο διαχωρισμός σε επί μέρoυς λεκάvες έγιvε λόγω τεκτovικής δράσης πoύ έλαβε χώρα στo τέλoς τoυ Τριτoγεvoύς και αρχές τoυ Τεταρτoγεvoύς και είχε σαv απoτέλεσμα τη δημιoυργία δύo τεκτovικώv διαχωριστικώv εξαρμάτωv. Η λιθοστρωματογραφική διάρθρωση των σχηματισμών της λεκάνης ΑναργύρωνΑμυνταίου ορίζεται από τα παλαιότερα προς τα νεότερα στρώματα ως ακολούθως (Δημητρακόπουλος, 2001): Κρυσταλλικά πετρώματα: Η λιθοστρωματογραφική τους διάρθρωση στην Λεκάνη Αναργύρων-Αμυνταίου αρχίζει με μια σειρά μαρμαρυγιακών σχιστολίθων, τόσο ποικίλης πετρογραφικής σύστασης (γνεύσιοι, κρυσταλλικοί σχιστόλιθοι, χαλαζίτες, φυλλίτες), όσο και ποικίλου βαθμού μεταμόρφωσης (μαρμαρυγιακοί, αμφιβολιτικοί, σερικιτικοί, χλωριτικοί). Τα πετρώματα αυτά σχηματίζουν τα δυτικά και βορειοδυτικά όρια της λεκάνης, δηλαδή το βόρειο τμήμα του Άσκιου Όρους, το Βέρνο και το τμήμα της σειράς Νυμφαίου-Πετρών. Γνευσιακός πλουτωνίτης: Πρόκειται για εμφανίσεις γρανιτικού όγκου που παρατηρούνται βόρεια της λίμνης Ζάζαρη, ΒΑ του Σκλήθρου και στις κορυφές του Βέρνου. Οι εμφανίσεις αυτές αποτελούν τα ανατολικότερα τμήματα του ευρύτερου πλουτωνικού όγκου ης Καστοριάς, που έχει γρανιτική σύσταση και λόγω της μεταμόρφωσης που έχει υποστεί θεωρείται σχιστοποιημένος γνευσιακός γρανίτης (Μουντράκης, 1989). Ανθρακική σειρά: Στην συνέχεια συναντώνται ασβεστόλιθοι. Αποτελούνται από λευκά-λευκότεφρα, λεπτοκρυσταλλικά εώς μεσκοπλακώδη μάρμαρα και δολομιτικά μάρμαρα. Στα βόρεια περιθώρια της λεκάνης εμφανίζονται στην περιοχή Αετού-Ξυνού ΝερούΠετρών και στις όχθες της Βεγορίτιδας. 68

70 Εικόνα 4-8: Λιθοστρωματογραφική στήλη κοιτάσματος Αμυνταίου (Κούκουζας, et al., 1978) 69

71 Στους ανώτερους ορίζοντες απαντώνται τα νεογενή ιζήματα και οι τεταρτογενείς αποθέσεις (Δημητρακόπουλος, 2001): Νεογενή Ιζήματα: Με τον όρο νεογενή ιζήματα αναφερόμαστε σε λιγνιτικά ή μη ιζήματα που πλήρωσαν την ευρύτερη λεκάνη. Τα ιζήματα χωρίστηκαν σε δύο διακριτούς ορίζοντες που διαφέρουν μεταξύ τους ως προς την ηλικία, την σύσταση και τον τύπο λιγνιτοφορίας που φιλοξενούν. Έτσι έχουμε τα παλαιότερα προς νεότερα ιζήματα του Κατώτερου και Ανώτερου Νεογενούς. Στα ιζήματα τύπου Κατώτερου εμφανίζεται λιγνιτοφορία τύπου ξυλίτη, ενώ στα ιζήματα του Ανώτερου εμφανίζεται λιγνιτοφορία τύπου γαιώδους λιγνίτη. Τεταρτογενείς αποθέσεις: Καλύπτουν μεγάλο μέρος της υπό μελέτη λεκάνης. Μετά την πλήρωση της λεκάνης από λιγνιτοφόρα και μη ιζήματα εκδηλώθηκε έντονος τεκτονισμός που είχε σαν αποτέλεσμα αλλού την ανύψωση και αλλού την καταβύθιση των τμημάτων της. Το διαβρωμένο υλικό μεταφέρθηκε μέσω υδατορευμάτων και χειμάρρων και μεταφέρθηκε στα χαμηλότερα σημεία της λεκάνης, αφού υπέστη μια φυσική επεξεργασία. Το χονδρόκοκκο υλικό αποτέθηκε στην κοίτη της λεκάνης ενώ το λεπτομερές (άργιλοι κλπ) στο εσωτερικό της λεκάνης. Οι τεταρτογενείς αποθέσεις διακρίνονται σε τρείς βασικές κατηγορίες (Αναστόπουλος & Κούκουζας, 1972): Σχηματισμός Προαστίου: Συνίσταται από ένα σύστημα ποταμοχειμαρρίων αποθέσεων που αποτελείται από εναλλαγές χαλαρών κροκαλοπαγών και άμμων με κόκκινη άργιλο. Σχηματισμοί Περδίκα: Αποτελούνται από ενστρώσεις λεπτόκοκκης άμμου με εναλλαγές ενστρώσεων αμμούχου αργίλου και μάργας, ως και από φακοειδείς ενστρώσεις ψαμμιτών και χαλαρών κροκαλοπαγών. Σύγχρονες Αποθέσεις: Σ αυτές ανήκουν ο ελουβιακός μανδύας, οι σύγχρονες ποτάμιες προσχώσεις και οι κώνοι κορημάτων. 70

72 Εικόνα 4-9: Γεωλογικός χάρτης περιοχής Αμυνταίου (Δημητρακόπουλος, 2001) 71

73 Εικόνα 4-10: Γεωλογικός Χάρτης περιοχής μελέτης, ΠΗΓΗ: ΙΓΜΕ 72

74 4.5 Υδρογεωλογική Λεκάνη Το λιγνιτικό κοίτασμα του Ορυχείου πεδίου Αμυνταίου βρίσκεται εντός της Νεογενούς λεκάνης Αμυνταίου, στα δυτικά είναι τα όρη Βέρνο και Άσκιο, τα οποία αποτελούνται κυρίως από κρυσταλλικά αδιαπέρατα πετρώματα (γρανίτες, γνευσίους), στα βόρεια υπάρχει ένας ορεινός όγκος πάνω από την γραμμή Ξινό Νερό - Πέτρες που αποτελεί περιοχή τροφοδοσίας και αποτελείται από μάρμαρα και ασβεστόλιθους. Το πεδίο Αμυνταίου είναι καλυμμένο με Νεογενείς και Τεταρτογενείς χαλαρούς σχηματισμούς, εντός των οποίων αναπτύσσονται τα υδροφόρα στρώματα. Ο πρώτος υδροφόρος βρίσκεται στα υπερκείμενα του λιγνίτη υλικά και αποτελείται από αλλεπάλληλα υδροφόρα στρώματα τα οποία διαχωρίζονται από διάφορα στρώματα, αργίλων-λιγνιτών και στρώματα από μάργες. Επειδή έρχονται πλευρικά σε επαφή μεταξύ τους αποτελούν μια μεγάλη υδρογεωλογική ενότητα. Τα στρώματα που υδροφορούν αποτελούνται από λεπτόκοκκες και μεσόκοκκες άμμους, μέχρι και κροκαλοπαγή. Η δεύτερη υδρογεωλογική ενότητα αποτελείται από τον ευρύτερο καρστικό υδροφόρο και αναπτύσσεται στα Τριαδικοϊουρασικά μάρμαρα και ασβεστόλιθους του υποβάθρου και των βορειοανατολικών παρυφών, ενώ από τις μετρήσεις που έχουν γίνει φαίνεται να υπάρχει σύνδεση με την Βεγορίτιδα (Τόλη, 2011) Πιεζομετρία Περιοχής Αμυνταίου Σύμφωνα με τις γεωτρήσεις καρστικής στάθμης που έχουν πραγματοποιηθεί στην ευρύτερη περιβάλλουσα περιοχή της λεκάνης Αναργύρων-Αμυνταίου και με την αξιολόγηση υδρογραφημάτων και πιεζομετρικών χαρτών, που παρατίθενται στην συνέχεια, προκύπτουν τα ακόλουθα συμπεράσματα (Δημητρακόπουλος, 2001; Μπολγκοράνου, 2015): Η Βεγορίτιδα αποτελεί έναν ενδιάμεσο σταθμό στην γενική εικόνα της υπόγειας ροής του νερού από τα δυτικά προς τα ανατολικά. Στην περιοχή δυτικά του Περδίκκα πραγματοποιείται τροφοδοσία του καρστικού υδροφόρου από 73

75 ποσότητες νερού που διοχετεύονται μέσω των καταβοθρών της τεχνητής λίμνης. Παρόλα αυτά υπάρχουν περιπτώσεις όπου εμφανίζεται μια αντίστροφη ροή, στα ΝΔ της λίμνης, που αποδίδεται στην εισροή σημαντικών επιφανειακών νερών στη Βεγορίτιδα και στην βραδεία ανταπόκριση του υδροφόρου που εκφράζεται με την ανύψωση της στάθμης. Παρουσιάζεται σχετική ομοιογένεια στην ανάπτυξη του καρστ, που επιβεβαιώνεται από την φαινομενικά τουλάχιστον ομαλή μορφολογία των πιεζομετρικών καμπυλών Επίδραση του Καρστικού Υδροφόρου στο Ορυχείο Από τον σχεδιασμό του ορυχείου προκύπτει ότι το δάπεδο της εκμετάλλευσης φθάνει στα +370 m, δηλαδή περίπου +140 m κάτω από την επιφάνεια της καρστικής στάθμης του συστήματος Βεγορίτιδας (+510 m). Η πιθανότητα εισροής, απευθείας, νερού από το καρστικό σύστημα της Βεγορίτιδας προς το ανοιχτό ορυχείο είναι πολύ μικρή (Δημητρακόπουλος, 2001). Η πιθανότητα διάρρηξης του δαπέδου ή ανύψωσής του, λόγω υδροστατικής πίεσης του καρστικού υδροφορέα πρέπει να αποκλεισθεί, αφού μόνο το βάρος των υπερκείμενων μαζών είναι αρκετό ώστε να αντισταθμίσει την πίεση αυτή που ανέρχεται σε 33 atm στο βαθύτερο σημείο του Ορυχείου, χωρίς να ληφθεί υπόψη η συνοχή των στρωμάτων. Παράλληλα θα πρέπει να αποκλεισθεί η πιθανότητα διάνοιξης διόδων μέσω των ρηγμάτων και η άνοδος του νερού μέχρι το δάπεδο του Ορυχείου δεδομένου ότι τα πιθανά ανοίγματα των ρηγμάτων έχουν καλυφθεί από λεπτόκοκκο υλικό, το οποίο με την πίεση των υπερκείμενων στρωμάτων έχει συμπυκνωθεί-στερεοποιηθεί και δεν επιτρέπει την δίοδο του νερού (ΔΕΠ-ΕΚΥ, 1996; Δημητρακόπουλος, 2001). Η δυνατότητα πλευρικής διήθησης νερού από τους ασβεστόλιθους του υποβάθρου προς το ανοικτό Ορυχείο είναι υπαρκτή, ιδιαίτερα στο νότιο τμήμα του Ορυχείου, όπου το υπόβαθρο αναθολώνεται, πιθανώς λόγω ρηγμάτων. Σ αυτήν την περίπτωση η κίνηση του νερού ρυθμίζεται από την μικρή περατότητα των χαλαρών σχηματισμών και όχι του καρστ. 74

76 Εικόνα 4-11: Πιεζομετρικός χάρτης καρστικού υδροφορέα περιοχής Αμυνταίου, 1988 ΠΗΓΗ: (Δημητρακόπουλος, 2001) 75

77 4.6 Τεκτονική Μετά την απόθεση των τεταρτογενών σχηματισμών ακολούθησαν έντονες τεκτονικές αναταράξεις που οδήγησαν στην ισχυρή διάρρηξη της περιοχής. Όλες αυτές οι μεταπτώσεις σε συνδυασμό με την διάβρωση οδήγησαν στην δημιουργία τεκτονικών βυθισμάτων (Παυλίδης, 1985). Για την κατανόηση της γεωλογίας, της τεκτονικής και των υδρογεωλογικών συνθηκών της περιοχής κρίνεται απαραίτητο να μελετηθούν τα κύρια ρήγματα που αναπτύσσονται στην λεκάνη και τα περιθώριά της. Οι κύριες τεκτονικές γραμμές που εντοπίζονται στην περιοχή μελέτης αντιστοιχούν στις παρακάτω: Ρήγμα Πετρώv - Ξυvoύ Νερoύ - Αετoύ - Σκλήθρoυ: Ξεπερvά σε μήκoς τα 30 Κm απoτελεί τo Β.Δ. όριo της υπoλεκάvης Χειμαδίτιδας - Πετρώv και oριoθετεί πρoς τα Νoτιoαvατoλικά τoυ τo έξαρμα Κλειδιoύ - Ξυvoύ Νερoύ πoυ διαχωρίζει τηv λεκάvη της Φλώριvας από τηv λεκάvη Αμυvταίoυ - Πτoλεμαϊδας. Εχει ΒΑ-ΝΔ διεύθυvση και βυθισμέvo τo ΝΑ τμήμα. Η μεταπτωτική τoυ δράση έπαιξε σημαvτικό ρόλo στηv διαμόρφωση της λεκάvης Πτoλεμαϊδας-Αμυvταίoυ και τωv υδρoγεωλoγικώv συvθηκώv πoυ επικρατoύv σ' αυτήv. Μεγάλο ρήγμα Βεγορίτιδας: Ξεκινά από την βόρεια πλευρά της λίμνης, την δυτική ακτής της, περνά από τον Άγιο Παντελεήμονα και συνεχίζει προς την Βεγόρα και τα χαμηλά τμήματα της λεκάνης. Έχει διεύθυνση ΒΒΑ-ΝΝΔ και το μήκος του μόνο στην ΒΔ πλευρά της λίμνης είναι 12 km. Ρήγμα Χειμαδίτιδας - Αvαργύρωv: Βρίσκεται vότια της oμώvυμης λίμvης σε επαφή με αυτήv. Εχει διεύθυvση ΒΑ-ΝΔ και κλίση πρoς τα ΒΔ. Αvαπτύσσεται στo κρυσταλλoσχιστώδες υπόβαθρo αλλά τέμvει και τα vεώτερα ιζήματα της λεκάvης, λόγω της εvεργoπoίησής τoυ στo πρόσφατo γεωλoγικό παρελθόv. Τo μήκoς τoυ ξεπερvάει τα 10 ΚΜ. Η δράση τωv ρηγμάτωv πoυ προαvαφέρθηκαv δημιoύργησε τις υπoλεκάvες Πετρώv - Αμυvταίoυ, Χειμαδίτιδας - Ζάζαρης και Βεγoρίτιδας - Πτoλεμαϊδας. 76

78 Τα κρασπεδικά ρήγματα, πoυ oριoθετoύv τηv αρχική λεκάvη: Εχoυv ΒΔ-ΝΑ διεύθυvση και δεv διακρίvovται επιφανειακά στo μεγαλύτερo μέρoς τoυς λόγω των διαβρωτικών διεργασιών. Οι επικρατoύσες διευθύvσεις τωv ρηγμάτωv της ευρύτερης λεκάvης Πτoλεμαϊδας είvαι, όπως πρoαvαφέρθηκε, δύo. Η πρώτη ΒΔ-ΝΑ και ΒΒΔ-ΝΝΑ και η δεύτερη ΒΑ-ΝΔ και ΑΒΑ-ΔΝΔ. Οι δύo αυτές διευθύvσεις επιβεβαιώθηκαv και από στατιστική επεξεργασία τεκτovικώv στoιχείωv (Παυλίδης, 1985). Εικόνα 4-12: Γεωλογικοί χαρακτήρες και εμφάνιση ρηγμάτων περιοχής ΠΗΓΗ: (Δημητρακόπουλος, 2001) 77

79 4.7 Σεισμικότητα Με τον όρο σεισμική δραστηριότητα γίνεται αναφορά στην κατά μέγεθος κατανομή σεισμών στο χώρο και στον χρόνο. Η σεισμικότητα εξαρτάται από το μέγεθος αλλά και από την συχνότητα των σεισμών κάθε μεγέθους. Η γεωγραφική κατανομή της σεισμικότητας στην περιοχή μελέτης εξαρτάται άμεσα από τις κινήσεις των λιθοσφαιρικών πλακών στον ευρύτερο χώρο της Βαλκανικής χερσονήσου. Η ευρύτερη λεκάνη Φλώρινα Πτολεμαιδας εντοπίζεται σε περιοχή με ασθενή σεισμική δραστηριότητα (Λουπασάκης, 2006). Σύμφωνα με τα σεισμικά δεδομένα της πλατφόρμας του οργανισμού IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology) το μεγαλύτερο μέρος των σεισμών που συνέβησαν στην περιοχή μελέτης ήταν μεγέθους 2 έως 3 Richter με ελάχιστες εξαιρέσεις όπου οι σεισμοί έφτασαν περίπου στα 5 Richter. Στον παρακάτω χάρτη απεικονίζονται τα επίκεντρα των σεισμών που έλαβαν χώρα από το 1973 έως το Εικόνα 4-13: Χάρτης χωρικής κατανομής επικέντρων σεισμών από το 1973 έως το 2010 και απεικόνιση της έντασης των σεισμών σε τοπική κλίμακα ή αλλιώς σε κλίμακα Richter (Local Magnitude ML). Πηγή των δεδομένων των σεισμών είναι η πλατφόρμα IRIS ( 78

80 4.8 Εξορυκτική Δραστηριότητα Περί Ορυχείων Ορυχείο ονομάζεται ο τόπος επιφανειακός ή εσωτερικός στη Γη από τον οποίο εξάγονται χρήσιμα ορυκτά. Με το ίδιο όνομα φέρεται γενικά κάθε τόπος απ όπου εξορύσσονται υλικά χρήσιμα κυρίως στη βιομηχανία. Όταν τα εξορυσσόμενα υλικά είναι μέταλλα τότε ο τόπος αυτός λέγεται Μεταλλείο, αν πρόκειται για οικοδομικά υλικά λέγεται Λατομείο. Τα λατομεία προϋπήρξαν των μεταλλείων. Από την αρχαιότητα οι άνθρωποι ανέσκαπταν τη γη για την εξόρυξη ιδιαίτερα χρήσιμων υλικών, η δε προσπάθειά τους εκείνη άρχισε να γίνεται εντονότερη με την ανακάλυψη των μετάλλων κι έπειτα. Σήμερα που η ένταση αυτή βρίσκεται στο μέγιστο βαθμό οι τόποι αυτοί λαμβάνουν πρόσθετη ονομασία και από το είδος του εξορυσσόμενου υλικού π.χ. σμυριδορυχεία, λιγνιτορυχεία, χρυσορυχεία, αλατορυχεία κ.λπ. Τα ορυχεία γενικά λόγω της μεγάλης σπουδαιότητας που κατέχουν στις εθνικές οικονομίες των χωρών διέπονται συνήθως με ιδιαίτερες νομοθεσίες τους καλούμενους Μεταλλευτικούς Κώδικες, ή Νόμους που εκφεύγουν των συνήθων διατάξεων ιδιοκτησίας, εκμετάλλευσης και διάθεσης προϊόντων. Επιμέρους ειδικότερη νομοθεσία αυτών αποτελούν διατάξεις που αφορούν τόσο την αναζήτηση, έρευνα και εξόρυξη, όσο και την εκμετάλλευση υδρογονανθράκων σε υγρά και αέρια μορφή Γενική Περιγραφή του Λιγνιτικού Κέντρου Δυτικής Μακεδονίας Το μεγαλύτερο λιγνιτικό δυναμικό της χώρας είναι συγκεντρωμένο σε τρεις περιοχές - λεκάνες κατά μήκος του άξονα Φλώρινα - Αμύνταιο - Πτολεμαϊδα - Κοζάνη - Σέρβια. Το Λιγνιτικό Κέντρο Δυτικής Μακεδονίας (ΛΚΔΜ), το οποίο περιλαμβάνει τα Ορυχεία της Πτολεμαΐδας και του Αμυνταίου, βρίσκεται 110 km δυτικά της Θεσσαλονίκης και 79

81 καλύπτει μία έκταση 120 km 2. Η λιγνιτοφορία της λεκάνης εκτείνεται από το Μοναστήρι (ΠΓΔΜ) μέχρι την Ελασσόνα με διεύθυνση ΒΔ-ΝΑ (Νικολαίδου, 2014). Ο λιγνίτης Πτολεμαϊδας σχηματίστηκε κατά τη διάρκεια μιας μεγάλης χρονικής περιόδου (10 εκατομμύρια χρόνια περίπου) και εκτιμάται ότι οι διεργασίες τελείωσαν πριν 1 εκατομμύριο χρόνια. Η ευρύτερη λεκάνη Μοναστηρίου, Φλώρινας, Αμυνταίου, Πτολεμαϊδας, Κοζάνης και Σερβίων καλύπτονταν την εποχή εκείνη από αβαθείς λίμνες και έλη. Οι κλιματολογικές συνθήκες ευνόησαν τη μεγάλη βλάστηση, υδροχαρών φυτών (βρύα, καλάμια, κλπ) σε διάφορες θέσεις της λεκάνης. Με το χρόνο τα φυτά αυτά συγκεντρώθηκαν σε μεγάλες ποσότητες στον πυθμένα των λιμνών. Στη συνέχεια η βλάστηση καλύφθηκε από γαιώδη υλικά. Έτσι οι οργανικές ύλες των φυτών, ευρισκόμενες υπό πίεση και με την επίδραση διαφόρων μικροοργανισμών, μετατράπηκαν με το χρόνο σε στρώματα λιγνίτη. Αυτό επαναλήφθηκε πολλές φορές και τέλος πάνω από τα νεώτερα στρώματα λιγνίτη επικάθισαν άλλα γαιώδη υλικά, τα λεγόμενα «υπερκείμενα». Έτσι προέκυψαν λιγνιτικά κοιτάσματα μορφής Zebra. (Μπολγκοράνου, 2015) Το πάχος των υπερκειμένων υλικών κυμαίνεται από 12 μέχρι 230 μέτρα για τα Ορυχεία που βρίσκονται σε λειτουργία στην περιοχή Πτολεμαϊδας. Τα υλικά αυτά είναι, συνήθως άμμος, αμμοχάλικα, μαλακός ασβεστόλιθος και άργιλος. Αλλά και το κοίτασμα του λιγνίτη δεν είναι ενιαίο διότι μέσα στο κοίτασμα αυτό υπάρχουν λεπτά στρώματα από τα γαιώδη υλικά και τα οποία επειδή βρίσκονται μεταξύ των λιγνιτικών στρωμάτων, ονομάζονται «ενδιάμεσα». Το μέσο πάχος των απολείψιμων στρωμάτων λιγνίτη ανέρχεται σε 2 μέτρα περίπου, ο αριθμός των οποίων κυμαίνεται από 20 έως 30. Τον Μάρτιο του 1973, στα πλαίσια του προγράμματος «Μελέτη λιγνιτοφόρων λεκανών ΒΔ Μακεδονίας», που εκτελέστηκε με πρωτοβουλία και δαπάνες της ΔΕΗ, το ΙΓΜΕ ξεκίνησε γεωλογική και κοιτασματολογική μελέτη σε ολόκληρη την περιοχή βόρεια της Πτολεμαΐδας έως και το Αμύνταιο. Η έρευνα ολοκληρώθηκε το 1978 με την περιχάραξη του εκμεταλλεύσιμου κοιτάσματος, το οποίο προσδιορίστηκε σε έκταση 14,5 km 2 και υπολογισμένα 80

82 λιγνιτικά αποθέματα tn, ενώ τα βέβαια γεωλογικά αποθέματα εκτιμήθηκαν σε tn (Κούκουζας, et al., 1978) Το ορυχείο Αμυνταίου ξεκίνησε την λειτουργία του το Σταδιακά στην περιοχή Πτολεμαϊδας - Αμυνταίου δημιουργήθηκε ένα από τα μεγαλύτερα Λιγνιτικά Κέντρα στον κόσμο. Στο Λιγνιτικό Κέντρο Πτολεμαϊδας - Αμυνταίου λειτουργούν σήμερα τέσσερα λιγνιτωρυχεία: Το Ορυχείο Νοτίου Πεδίου, το Ορυχείο Καρδιάς, το Ορυχείο Κυρίου Πεδίου και το Ορυχείο Αμυνταίου (συμπεριλαμβανομένου και του ορυχείου στη Φλώρινα) (Γρηγοριάδου, 2014). Επίσης στο Λιγνιτικό Κέντρο ανήκουν το Εργοστάσιο Λιγνιτοπλίνθων και ο ατμοηλεκτρικός σταθμός ΛΙΠΤΟΛ. Η παραγωγή λιγνίτη ανήλθε το 2006 σε 49εκ. τόνους. Για την επίτευξη του έργου αυτού χρησιμοποιούνται 42 καδοφόροι εκσκαφείς, 16 αποθέτες, 225 km περίπου ταινιόδρομοι (με πλάτος 1,0-2,4 μέτρα) και περίπου ντηζελοκίνητα μηχανήματα. Οι ενεργειακές μονάδες που τροφοδοτούνται με λιγνίτη από το Λιγνιτικό Κέντρο Πτολεμαϊδας - Αμυνταίου είναι: ΣΤΑΘΜΟΣ ΕΓΚΑΤΕΣΤΗΜΕΝΗ ΙΣΧΥΣ (MW) ΑΗΣ ΛΙΠΤΟΛ = 43 ΑΗΣ ΠΤΟΛΕΜΑΪΔΑΣ x = 620 ΑΗΣ ΚΑΡΔΙΑΣ 2x x325 = ΑΗΣ ΑΓ. ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ 2x300+2x = ΑΗΣ ΑΜΥΝΤΑΙΟΥ 2x300 = 600 ΑΗΣ ΜΕΛΙΤΗΣ-ΑΧΛΑΔΑΣ 1x330 = 330 ΣΥΝΟΛΟ Πίνακας 4-1: Οι ενεργειακές μονάδες που τροφοδοτούνται με λιγνίτη από το Λιγνιτικό Κέντρο Πτολεμαϊδας Αμυνταίου, ΠΗΓΗ: (Όμιλος Δ.Ε.Η. Α.Ε.) 81

83 Εικόνα 4-14: : Ορυχεία και ΑΗΣ της ευρύτερης περιοχής ΠΗΓΗ: (Όμιλος Δ.Ε.Η. Α.Ε.) 82

84 Κατά την εκσκαφή τα υπερκείμενα του λιγνίτη, στείρα υλικά καθώς και το λιγνιτικό κοίτασμα χωρίζονται σε βαθμίδες ύψους περίπου μέχρι 20 m ανάλογα με το ύψος του καδοφόρου εκσκαφέα. Το μέτωπο εκσκάπτεται κατά στρώσεις και τα μεν στείρα υλικά μεταφέρονται στους αποθέτες ενώ ο λιγνίτης κατευθύνεται στους παρακείμενους ΑΗΣ. Η απόθεση των στείρων γίνεται σε ειδικά επιλεγμένες περιοχές, στις οποίες μεταφέρεται και η τέφρα. Οι αποθέσεις διακρίνονται σε εξωτερικές και εσωτερικές. Οι εξωτερικές γίνονται σε περιοχές που δεν περικλείουν εκμεταλλεύσιμα πεδία και δημιουργούνται στην αρχική φάση της εκμετάλλευσης. Εικόνα 4-15: Καδοφόρος εκσκαφέας (Μπολγκοράνου, 2015 από Γαλετάκης, 2013) 83

85 Εικόνα 4-16: Αποθέτης (Μπολγκοράνου, 2015 από Γαλετάκης, 2013) Εικόνα 4-17: Σχηματική διάταξη ορυχείου (Μπολγκοράνου, 2015 από Γαλετάκης, 2013) Σύμφωνα με τα στοιχεία της ΔΕΗ η λιγνιτοφορία της περιοχής Αμυνταίου περιλαμβάνει τρία κοιτάσματα με χαρακτηριστικά τα οποία παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα: 84

86 ΣΧΕΣΗ ΕΚΜΕΤΑΛΛΕΥΣΗΣ ΠΕΔΙΟ ΛΙΓΝΙΤΗΣ (TN) 10 6 Αγ Λιγν ΚΕΝΤΡΙΚΟ ,8:1 ΑΝΑΡΓΥΡΩΝ 49,1 3,4:1 ΛΑΚΙΑΣ 48,1 4,5:1 Πίνακας 4-2: Λιγνιτοφορία περιοχής ΠΗΓΗ: (Δημητρακόπουλος, 2001; Μπολγκοράνου, 2015) Τα κύρια ποιοτικά χαρακτηριστικά του λιγνιτικού κοιτάσματος είναι τα ακόλουθα: Μέση υγρασία 55,6% Μέση τέφρα επί ξηρού 28,8% Μέση Α.Θ.Ι. (Ανώτερη Θερμογόνος Ιδιότητα): 1850 kcal/kg Μέση Κ.Θ.Ι. (Κατώτερη Θερμογόνος Ιδιότητα): 1430 kcal/kg Το ειδικό βάρος του λιγνίτη υπολογίζεται γύρω στο 1,30 tn/m 3. 85

87 5 Εδαφικές Υποχωρήσεις Ως εδαφικές υποχωρήσεις (land subsidence) ορίζονται τα εκτεταμένα φαινόμενα υποχωρήσεων της επιφάνειας του εδάφους, καθοδικές δηλαδή κινήσεις του εδάφους (Anumba & Scott, 2001), τα οποία προκαλούνται από ενδογενείς παράγοντες όπως η αφαίρεση ρευστών ή η κατάρρευση φυσικών και τεχνητών εγκοίλων. Οι βαρυτικές και οι τεκτονικές δυνάμεις που ασκούνται στους σχηματισμούς που περιβάλλουν μια υπόγεια εκσκαφή, τείνουν να προκαλέσουν το κλείσιμό της. Παραμορφώσεις που σχετίζονται ή όχι με το χρόνο, σε συνδυασμό με τον κερματισμό των πετρωμάτων προκαλούν υποχώρηση των υπερκειμένων σχηματισμών του υπόγειου ανοίγματος προς αυτό. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται εδαφική υποχώρηση (subsidence). Αρχικά εμφανίζεται στο υπόγειο άνοιγμα, για να μεταναστεύσει στη συνέχεια στην επιφάνεια και να προκαλέσει βυθίσματα στην επιφάνεια. Συνεπώς ο όρος εδαφική υποχώρηση χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίσει τις συνέπειες στην επιφάνεια του εδάφους που προέρχονται από την εξάλειψη της υποστήριξης του σε βάθος ή από τον υποβιβασμό της στάθμης του υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα και μετανάστευση των αστοχιών που προκύπτουν από αυτές τις αιτίες στην επιφάνεια. Με βάση την περιγραφή αυτή, οι εδαφικές υποχωρήσεις διαφοροποιούνται από τις καθιζήσεις (Settlements) ή την συμπιεστότητα των αργίλων (consolidation of clays), καθώς αυτές προκαλούνται από την επιβολή πρόσθετης (εξωτερικής) φόρτισης. Πρόκειται λοιπόν για υποβιβασμό της επιφάνειας του εδάφους λόγω αλλαγών είτε στη στάθμη κάποιου υπόγειου ρευστού (υποβιβασμός στάθμης νερού, πετρελαίου) είτε στη μεταβολή της αντοχής του εδάφους, λόγω αφαίρεσης της υποστήριξης αυτού σε συγκεκριμένη θέση. Γενικά ο υποβιβασμός της στάθμης του υπόγειου νερού ισοδυναμεί και με προφόρτιση των οριζόντων που θα απαλλαγούν από την παρουσία του. Το μέγεθος της εδαφικής υποχώρησης εξαρτάται από: το πάχος των στρωμάτων που μπορεί να υποστούν συμπύκνωση, 86

88 την συμπιεστότητά τους, την ποσότητα του νερού που απομακρύνεται με τον υποβιβασμό της στάθμης. Συνεπώς όλα αυτά θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κυρίως για την προστασία των γειτονικών κατασκευών, από ανεπιθύμητες εδαφικές υποχωρήσεις. Αν τα εδαφικά υλικά καλύπτουν ασβεστολιθικούς σχηματισμούς, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από την παρουσία καρστικών εγκοίλων και η στάθμη του υδροφόρου υποβιβάζεται λόγω άντλησης, η αύξηση της φόρτισης επιφέρει την εμφάνιση στην επιφάνεια βαθιών εδαφικών (βυθίσεων) υποχωρήσεων περίπου κυκλικής μορφής (sink holes) ή και αβαθών (sallow holes), λόγω κατάρρευσης των διαβρωσιγενών κοιλοτήτων στον ασβεστόλιθο. Έτσι, οι κύριες αιτίες πρόκλησης εδαφικών υποχωρήσεων είναι: H αφαίρεση ρευστών από το έδαφος (νερού, πετρελαίου κ.α.) και η στερεοποίηση λόγω μεταβολής του γεωστατικού πεδίου των τάσεων. Η οξείδωση οργανικών εδαφών ως συνέπεια του υποβιβασμού της στάθμης των υδροφόρων. Η κατάρρευση διαβρωσιγενών κοιλοτήτων, κυρίως σε εβαποριτικούς και δευτερευόντως ανθρακικούς σχηματισμούς. Λόγω προοδευτικής διάβρωσης, είτε λόγω αύξησης των φορτίσεων της οροφής. H κατάρρευση ανθρωπογενών κοιλοτήτων (π.χ. στοές, θάλαμοι μεταλλείων, θύλακες υδρογονανθράκων κ.α.) 87

89 Εικόνα 5-1: Κατηγορίες Εδαφικών Υποχωρήσεων Με την απομάκρυνση ενός ρευστού από το έδαφος όπως προαναφέρθηκε επέρχεται αύξηση των τάσεων. Η αύξηση αυτή επιφέρει επαναπροσανατολισμό των εδαφικών σωματιδίων, δηλαδή αύξηση στην πυκνότητα του εδάφους που υφίσταται την όλη διαδικασία και κατά συνέπεια μείωση του όγκου του που εκδηλώνεται με τη μορφή της εδαφικής υποχώρησης. Όταν η εδαφική υποχώρηση είναι ομαλή υπάρχουν ομοιόμορφες συνθήκες στην περιοχή. Αν οι εδαφικές υποχωρήσεις διαφοροποιούνται από θέση σε θέση τότε τα προβλήματα είναι πολύ σημαντικά για την ασφάλεια των κατασκευών (διαφοροποίηση στην ένταση του εφελκυσμού). Οι συνηθέστερα παρατηρούμενες επιπτώσεις των εδαφικών υποχωρήσεων είναι: Εδαφικές διαρρήξεις Αστοχίες δύσκαμπτων κτιριακών κατασκευών Φθορές στα γραμμικά δίκτυα παροχών κοινής ωφέλειας (ηλεκτροδότησης, υδροδότησης κ.α.) καθώς και στα έργα οδοποιίας Προέλαση της θάλασσας στην ενδοχώρα (κατά μήκος παράκτιων περιοχών) Καταστροφή των υδρογεωτρήσεων 88

90 Εκδήλωση φαινομένων εδαφικών υποχωρήσεων λόγω υπεράντλησης στον Ελλαδικό Χώρο: Καλοχώρι, Δήμος Δέλτα, Νομού Θεσσαλονίκης (Loupasakis & Rozos, 2010) Περαία, Δήμος Θερμαϊκού, Νομού Θεσσαλονίκης (Koumantakis, et al., 2008) Δυτικά του Ορυχείου Αμυνταίου, Νομού Φλώρινας (Loupasakis, et al., 2014) Αποξηραμένη Λίμνη Ξυνιάδας, Νομού Φθιώτιδας Νοτιοανατολική ζώνη της Λεκάνης Ανατολικής Θεσσαλίας (Kontogianni, et al., 2007) Περιοχή Μοσχάτου Καλλιθέας, Αθήνα, Νομού Αττικής (Georgopoulos & Teleioni, 2010) Λεκάνη της Μεσσαράς, Νομού Ηρακλείου (Mertikas, et al., 2010) Εικόνα 5-2: Χωρική Κατανομή εδαφικών υποχωρήσεων λόγω υπεράντλησης στον Ελλαδικό χώρo 89

91 5.1 Περιγραφή της Διεργασίας Σύμφωνα με τον Δ. Ρόζο (Ρόζος, 2007), για μια συσσώρευση εδαφικών σωματιδίων στη θέση Α του σχήματος που ακολουθεί και η οποία αρχικά βρίσκεται κάτω από τη στάθμη του υδροφόρου ορίζοντα, με πυκνότητα γg, ενώ η πυκνότητα του νερού είναι γw, η τάση SA στο Α θα είναι: SA = h1 γg+h2 (γg - γw). Με φυσικό ή και τεχνητό υποβιβασμό του υδροφόρου ορίζοντα κάτω από το επίπεδο του σημείου Α, η τάση SA1 στο σημείο διαμορφώνεται ως εξής: SA1 = (h1 +h2) γg. SA = h1 γg+h2(γg - γw) S A1 = (h1 +h2) γg Εικόνα 5-3: Σχηματική απεικόνιση της διαδικασίας αύξησης της φόρτισης του εδάφους με τον υποβιβασμό του υδροφόρου Γίνεται αντιληπτό ότι SA1> SA και επομένως διαπιστώνεται σημαντική αύξηση της τάσης στο εδαφικό κομμάτι στο Α και επομένως εκδήλωση εδαφικών υποχωρήσεων. 5.2 Εδαφικές Υποχωρήσεις στην Περιοχή Δυτικά του Ορυχείου Αμυνταίου, Ν. Φλώρινας Στην περιοχή που εκτείνεται Δυτικά του Λιγνιτωρυχείου Αμυνταίου από το 2005, άρχισαν να καταγράφονται ταχέως εξελισσόμενες κατακόρυφες διαφορικές παραμορφώσεις, οι οποίες είχαν ως αποτέλεσμα την εκδήλωση εδαφικών διαρρήξεων. Οι παραμορφώσεις αυτές αρχικά έπληξαν τον οικισμό των Αναργύρων. 90

92 Παρόμοια φαινόμενα σχεδόν ταυτόχρονα καταγράφηκαν στα Βαλτόνερα και τo Φανό. Οι εδαφικές υποχωρήσεις περιορίζονται εντός των ορίων του κώνου πτώσης στάθμης που διαμορφώνεται στην περίμετρο του ορυχείου με ακτίνα έως περίπου 4km. Ο κώνος πτώσης στάθμης προκαλείται από το σύνολο των εκροών από τον υδροφόρο ορίζοντα, οι οποίες είναι αυτές που λαμβάνουν χώρα λόγω της λειτουργίας των γεωτρήσεων προστασίας των πρανών του ορυχείου, αυτές που λαμβάνουν χώρα μέσω της φυσικής στράγγισης των υδροφόρων στρωμάτων στα πρανή του ορυχείου οι εκροές που προκαλούνται από την άντληση υδάτων για την κάλυψη των αρδευτικών αναγκών. Το άλμα των εδαφικών διαρρήξεων είναι ανάλογα με το μέγεθος της πτώσης στάθμης. Σε θέσεις κοντά στο ορυχείο παρατηρούνται άλματα που φτάνουν έως και το 1m ενώ σε απόσταση περίπου 3Km από το ορυχείο οι διαρρήξεις σταδιακά σβήνουν. 91

93 6 Δεδομένα Μεθοδολογία 6.1 Δεδομένα Για την εκπόνιση της παρούσας έρευνας χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα του δορυφόρου ENVISAT και συγκεκριμένα Λειτουργίας Εικόνας (Image Mode) από το όργανο ASAR. Τα δεδομένα λήφθηκαν κατόπιν παραγγελίας μέσω της πλατφόρμας Earth Observation Link (EOLi) της ESA και μετά την υποβολή ερευνητικής πρότασης CAT-1 μέσω της πλατφόρμας EOPI, η οποία και έγινε αποδεκτή από την ESA (κωδ: C1F.32781). Στην πλατφόρμα αυτή μπορούν να ληφθούν δεδομένα από τους δορυφόρους ENVISAT, ERS, Landsat, IKONOS, DMC, ALOS, SPOT, Kompsat, Proba, IRS, SCISAT. Εικόνα 6-1:Το περιβάλλον εργασίας της πλατφόρμας Earth Observation Link (EOLi) της ESA Στην διαδικασία επιλογής των δεδομένων δεν υπήρξαν περιοριστικοί παράγοντες, πέραν του να περιέχεται ολόκληρη η περιοχή μελέτης, κι έτσι επιλέχθηκαν όλα τα διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα ENVISAT από το 2003 έως το 2010 τόσο ανοδικής όσο και καθοδικής τροχιάς. Παρόλα αυτά χρησιμοποιήθηκαν μόνο τα δεδομένα καθοδικής τροχιάς καθώς στα ανοδικής τροχιάς δεδομένα παρατηρήθηκαν πολλά 92

94 σφάλματα κατά το processing με αποτέλεσμα τα αποδεκτά δεδομένα να μην επαρκούν. Τα δεδομένα που αποκτήθηκαν ήταν της μορφής Single Look Complex (SLC). PRODUCT ID ΌΝΟΜΑ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΛΥΨΗ ΧΩΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣH ΡΑΔΙΟΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΣΤΑΣΗ ΤΩΝ PIXEL ΜΕΓΕΘΟΣ ASAR image single-look complex ASA_IMS_1P Πρόκειται για μια single-look, σύνθετη, σε slant-range, ψηφιακή εικόνα που παράγεται από δεδομένα ASAR Επιπέδου 0, τα οποία συλλέγονται όταν το όργανο βρίσκεται σε λειτουργία εικόνας (7 λωρίδες κάλυψης, HH ή VV πόλωση). Προορίζεται κυρίως για χρήση στην αξιολόγηση της ποιότητας SAR και βαθμονόμησης, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παραγάγει προϊόντα υψηλότερου επιπέδου. 100 km κατά μήκος της πλατφόρμας * km καθέτως της πλατφόρμας Περίπου 6 στο αζιμούθιο, το προγραμματισμένο εύρος ζώνης chirp εξαρτάται από την κεκλιμένη απόσταση (slant range). 1 look στο azimuth, 1 look στο range Φυσική απόσταση και στο εύρος (απόσταση) και στο αζιμούθιο. Η απόσταση των pixel στο αζιμούθιο εξαρτάται από την σχετική ταχύτητα Γης-Δορυφόρου και την πραγματική PRF.2. Η απόσταση των pixel στην κεκλιμένη απόσταση(slant range) δίνεται από τη συχνότητα δειγματοληψίας ASAR ( MHz) 741 Mbytes Πίνακας 6-1: Χαρακτηριστικά των Δεδομένων Image Mode Single-Look Complex (ASA_IMS_1P) ΠΗΓΗ: ESA Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν ήταν κάθετης πόλωσης (VV), με χωρική διακριτική ικανότητα 30m, πλάτος λωρίδας κάλυψης 100km, με αριθμό τροχιάς (path) 50 και πλαίσιο (frame) Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να αναφερθεί ότι πάντα κατά την επιλογή των δεδομένων, το πλαίσιο που θα επιλεχθεί πρέπει να είναι ίδιο σε όλες τις εικόνες διαφορετικά προκύπτουν σφάλματα κατά την επεξεργασία λόγω διαφορετικής γεωμετρίας και δεν είναι δυνατή η συμπροσαρμογή Εικόνα 6-2: Το Αποτύπωμα (footprint) των δεδομένων που επιλέχθηκαν. 93

95 (Coregistration) των εικόνων. Αναλυτική περιγραφή των δεδομένων περιέχεται στον πίνακα 6-2. Id Date Orbit Track Frame Swath Pass Polarisation 1 19/09/ I2 Descending VV /10/ I2 Descending VV 02/01/ I2 Descending VV 06/02/ I2 Descending VV 21/05/ I2 Descending VV 25/06/ I2 Descending VV 30/07/ I2 Descending VV 08/10/ I2 Descending VV 17/12/ I2 Descending VV 21/01/ I2 Descending VV 06/05/ I2 Descending VV 19/08/ I2 Descending VV 28/10/ I2 Descending VV 10/02/ I2 Descending VV 17/03/ I2 Descending VV 26/05/ I2 Descending VV 30/06/ I2 Descending VV 13/10/ I2 Descending VV 22/12/ I2 Descending VV 26/01/ I2 Descending VV 06/04/ I2 Descending VV 21/03/ I2 Descending VV 26/12/ I2 Descending VV 30/01/ I2 Descending VV 06/03/ I2 Descending VV 06/11/ I2 Descending VV 94

96 27 19/02/ I2 Descending VV 28 04/06/ I2 Descending VV Πίνακας 6-2: Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν και τα χαρακτηριστικά τους Για την απομάκρυνση της τοπογραφίας είναι απαραίτητη η χρήση ενός ψηφιακού μοντέλου εδάφους (DEM). Το ΨΜΕ που χρησιμοποιήθηκε ήταν από δεδομένα της αποστολής Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) της NASA, με χωρική ανάλυση 90m. Τα δεδομένα SRTM είναι διαθέσιμα μέσα από την ηλεκτρονική σελίδα CGIAR CSI - Consortium for Spatial Information στην ηλεκτρονική διεύθυνση Τέλος, χρησιμοποιήθηκαν χωρικά δεδομένα για επεξεργασία και οπτικοποίηση σε περιβάλλον GIS με σκοπό την καλύτερη κατανόηση της περιοχής μελέτης. Τα δεδομένα αυτά αφορούν πληροφορίες σχετικά με τους οικισμούς, την κάλυψη γης, το υδρογραφικό και οδικό δίκτυο καθώς και τα όριο των δήμων και των νομών. Τα δεδομένα αυτά αντλήθηκαν από τις ιστοσελίδες geodata.gov.gr και openstreetmap.org. Επίσης χρησιμοποιήθηκε χωρική πληροφορία που υποδείκνυε τα ενεργά ρήγματα στο Ελλαδικό χώρο από το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών ενώ πραγματοποιήθηκε και ψηφιοποίηση των πιθανών ή καλυμμένων ρηγμάτων από τον γεωλογικό χάρτη της Ελλάδος του Ινστιτούτου Γεωλογικών και Μεταλλευτικών Ερευνών (ΙΓΜΕ) για την περιοχή ενδιαφέροντος. Τέλος, αντλήθηκαν σεισμικά δεδομένα της περιοχής μελέτης από την ιστοσελίδα του οργανισμού IRIS (Incorporated Research Institutions for Seismology). 95

97 6.2 Μεθοδολογία Η πορεία εργασίας που ακολουθήθηκε για την εκπόνηση της παρούσας μελέτης περιγράφεται αναλυτικά στο παρακάτω διάγραμμα ροής: Εικόνα 6-3: Διάγραμμα ροής της πορείας εργασίας 96

98 Για την επεξεργασία των δορυφορικών εικόνων και την εφαρμογή της τεχνικής της Διαφορικής Συμβολομετρίας Radar Συνθετικού Ανοίγματος χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό GAMMA (Wegmüller, et al., 1998) της GAMMA Remote Sensing σε λειτουργικό περιβάλλον Linux μέσω γραμμών εντολών (command lines). Το λογισμικό GAMMA είναι μια συλλογή από προγράμματα που επιτρέπει την επεξεργασία των SAR απεικονίσεων και την εφαρμογη των τεχνικών της Συμβολομετρίας SAR και της Διαφορικής Συμβολομετρίας SAR, τόσο για εναέρια όσο και για διαστημικά συστήματα Radar. Το λογισμικό υποστηρίζει το σύνολο της επεξεργασίας των δεδομένων με σκοπό την παραγωγή προϊόντων υψηλού επιπέδου, όπως ψηφιακά μοντέλα εδάφους, χάρτες παραμορφώσεων, ανάλυση σημείουστόχου, ακόμα και χάρτες χρήσεων γης. Το λογισμικό είναι οργανομένο σε επιμέρους πακέτα, με το καθένα να αφορά μια συγκεκριμένη πτυχή της επεξεργασίας. Για την χαρτογραφική απεικόνιση τόσο των τελικών αποτελεσμάτων όσο και άλλων χαρτών με διάφορες πληροφορίες σχετικά με την περιοχή μελέτης αξιοποιήθηκε το λογισμικό ArcGIS της ESRI που αποτελεί εμπορικό λογισμικό Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (Geographical Information Systems GIS). Εικόνα 6-4: Περιβάλλον Εργασίας του λογισμικού ArcGIS (ESRI) 97

99 6.2.1 Δημιουργία Αρχείου Μεταδεδομένων Τα αρχικά δεδομένα Single Look Complex (SLC) όπως λήφθησαν από την πλατφόρμα ΕOLi δεν είναι διαχειρίσιμα από το λογισμικό GAMMA καθώς δεν περιλαμβάνουν ένα σημαντικό για την επεξεργασία τους αρχείο, το παραμετρικό αρχείο ή αλλιώς τα μεταδεδομένα. Το αρχείο αυτό περιλαμβάνει σημαντικές πληροφορίες όπως η τροχιακή πληροφορία, το προβολικό σύστημα κ.α.. Για την παραγωγή αυτού του αρχείου εκτελείται η σχετική εντολή για κάθε εικόνα SLC και το τελικό αποτέλεσμα αποτελείται από δυο πλέον αρχεία, την εικόνα SLC και το παραμετρικό αρχείο Βελτίωση Τροχιακών Δεδομένων Ο επαναπροσδιορισμός της τροχιακής πληροφορίας είναι ιδιαίτερα σημαντικός καθώς οι αβεβαιότητες στα τροχιακά δεδομένα μπορούν να οδηγήσουν σε σφάλματα. Η αποφυγή σφαλμάτων είναι ιδιαίτερα σημαντική ειδικά σε περιπτώσεις, όπως η παρούσα μελέτη, όπου πρέπει να ανιχνευτούν οι επιφανειακές παραμορφώσεις. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιούνται ανύσματα θέσης (orbit state vectors). Τα ανύσματα θέσης που χρησιμοποιούνται για τον δορυφόρο ENVISAT προέρχονται από το όργανο DORIS (Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) το οποίο παρέχει τροχιακές πληροφορίες σε καθημερινή βάση για τον επαναπροσδιορισμό της ώρας λήψης UTC και UTC1, την θέση και την ταχύτητα του συστήματος καθώς και την ποιότητα των δεδομένων. Οι τροχιακές πληροφορίες του οργάνου DORIS λήφθηκαν μέσω του ΕυρωπαΪκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) μέσω ftp-server και ενημερώνονται κάθε τέσσερις έως έξι εβδομάδες από την ημέρα λήψης της εικόνας. (Fletcher, 2007). Πληροφορίες για τις τροχιές ακριβείας και τα ανύσματα θέσης μπορούν επίσης να αποκτηθούν από το DEOS (Department of Earth Observation and Space Systems) του Πανεπιστημίου Delft. Εικόνα 6-5: Το όργανο DORIS του ENVISAT 98

100 Διαθέτωντας τα επαναπροσδιορισμένα ανύσματα θέσης γίνεται ενημέρωση των παραμετρικών αρχείων των εικόνων SLC Συμπροσαρμογή Η συμπροσαρμογή (Coregistration) των εικόνων αποτελεί ίσως το πιο κρίσιμο βήμα στην τεχνική της Συμβολομετρίας Radar, καθώς η ακρίβεια στην εφαρμογή της, επηρεάζει όλα τα μετέπειτα στάδια της μεθοδολογίας με αποτέλεσμα να κρίνεται η αξιοπιστία των αποτελέσματων από αυτήν (Lin, et al., 1992; Joughin, et al., 1994; Massonnet & Feigl, 1998). Κατά την συμπροσαρμογή πραγματοποιείται επίθεση των SAR εικόνων (δευτερεύουσες απεικονίσεις, slave images) πάνω σε μία άλλη που λαμβάνεται ως εικόνα αναφοράς (κύρια εικόνα, master image). Η τυπική διαδικασία συμπροσαρμογής των εικόνων αποτελείται από δυο στάδια (Li & Bethel, 2008). Αρχικά γίνεται η συμπροσαρμογή κατά προσέγγιση (coarse coregistration) όπου επιτυγχάνεται ακρίβεια σε επίπεδο pixel. Στο στάδιο αυτό ουσιαστικά γίνεται συμπροσαρμογή των εικονοστοιχείων μιας εικόνας (master) με τις υπόλοιπες (slaves) και συνήθως γίνεται με βάση τα τροχιακά δεδομένα (Small, et al., 1996). Το δεύτερο στάδιο περιλαμβάνει την ακριβή συμπροσαρμογή (fine coregistration) κατά την οποία επιτυγχάνεται ακρίβεια μικρότερη του ενός pixel (subpixel), ενώ πραγματοποιείται και επαναδειγματοληψία (resampling), δηλαδή επανυπολογισμός του πλάτους και της φάσης του σήματος για το σύνολο των εικονοστοιχείων στις slave εικόνες με βάση την master, μέσω παρεμβολής. Σε αυτό το στάδιο λαμβάνονται υπόψιν η συνάφεια και ο λόγος σήματος προς θόρυβο (Signal to Noise Ratio SNR) (Gabriel & Goldstein, 1988; Lin, et al., 1992). 99

101 Εικόνα 6-6: Διάγραμμα ροής της συμπροσαρμογής SAR εικόνων (τροποποιημένο από Li & Bethel, 2008) Η ακρίβεια και η ποιότητα των αποτελεσμάτων της συμπροσαρμογής αξιολογείται σύμφωνα με το αναμενόμενο σφάλμα στις τιμές των φάσεων λόγω λανθασμένης εγγραφής των slave εικόνων πάνω στην master. Έχει αποδειχτεί ότι ακρίβειες μεγαλύτερες του 1/8 1/6 του pixel είναι ικανοποιητικές για την παραγωγή αποτελεσμάτων (Just & Bamler, 1994; Massonnet & Feigl, 1998). Στην παρούσα έρευνα η ημερομηνία λήψης της εικόνας που χρησιμοποιήθηκε ως master για την διαδικασία της συμπροσαρμογής ήταν 19/09/2003 και τα αποτελέσματα ακρίβειας ήταν πολύ ικανοποιητικά. Σε αυτό το στάδιο πραγματοποιήθηκε επίσης η περικοπή (crop) της εικόνας στα όρια της περιοχής ενδιαφέροντος (Area of Interest AOI) καθώς και η διαδικασία του Multilooking. Με το multilooking είναι δυνατή η δημιουργία μιας εικόνας μέσου όρου των τιμών του πλάτους, βοηθώντας στην μείωση του θορύβου ενώ ταυτόχρονα βελτιώνει την χωρική ανάλυση. Η βελτίωση της χωρικής ανάλυσης μέσω της 100

102 διαδικασίας του multilooking μπορεί να φανεί ιδιαίτερα χρήσιμη αφού διευκολύνει την εκτύλιξη της φάσης σε δύσκολες περιοχές, όπως αυτές που παρουσιάζουν πυκνούς κροσσούς. Εικόνα 6-7: Μέση εικόνα multilook (1 Range x 5 Azimuth) σε γεωμετρία SAR Υπολογισμός του Ανύσματος Βάσης Στην συνέχεια έγινε υπολογισμός του ανύσματος βάσης. Το άνυσμα βάσης κατέχει ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο στην τεχνική της Συμβολομετρίας και επηρεάζει άμεσα την ακρίβεια των τελικών αποτελεσμάτων (Zhao, et al., 2013). Ως συμβολομετρικό άνυσμα βάσης ορίζεται η διαφορά των διανυσμάτων θέσης της πλατφόρμας κατά την απεικόνιση ενός στόχου. Η μέτρηση της απόστασης μεταξύ των δύο κεραιών SAR στο διάστημα, όταν στοχεύουν το ίδιο αντικείμενο στο έδαφος, παρουσιάζει ιδιαίτερη δυσκολία καθώς απαιτεί πολύ καλή γνώση της θέσης των δορυφόρων. Στην πράξη, η αρχική τιμή 101

103 εκτιμάται χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο του ανύσματος βάσης, η πολυπλοκότητα του οποίου μπορεί να ποικίλει ανάλογα με την προσέγγιση που χρησιμοποιείται και την ακρίβεια που επιδιώκεται. Εικόνα 6-8: Το άνυσμα βάσης (Β) στην Γεωμετρία SAR Με βάση τον υπολογισμό του ανύσματος βάσης γίνεται και ο προσδιορισμός όλων των πιθανών συμβολομετρικών ζευγών ορίζοντας τις μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές για την εγκάρσια συνιστώσα και το χρονικό εύρος. Καλύτερα αποτελέσματα σε αυτό το βήμα προκύπτουν όταν επιλέγεται μικρό εύρος στη τιμή του ανύσματος βάσης προκειμένου να αποφεύγονται γεωμετρικές και χρονικές αποσυσχετίσεις. Στην παρούσα μελέτη, το ανώτατο όριο του εγκάρσιου ανύσματος βάσης (Perpendicular Baseline) ορίστηκε ως αποδεκτό μέχρι τα 400 m για τον λόγο ότι η περιοχή μελέτης παρουσιάζει έντονο ανάγλυφο. Στο αποδεκτό χρονικό εύρος (Temporal Baseline) μεταξύ των λήψεων δεν ορίστηκαν χρονικά όρια καθώς το φαινόμενο που μελετάται προκαλεί μακροπρόθεσμες παραμορφώσεις. Αν αποκλειστεί κάποια χρονική περίοδος είναι πιθανό να χαθεί σημαντική πληροφορία. Η μέση τιμή κάθετου ανύσματος βάσης που προέκυψε θέτωντας τα παραπάνω κριτήρια είναι 187 m ενώ υποδείχτηκε ένα δίκτυο 187 ζευγών συμβολογραφημάτων. 102

104 Εικόνα 6-9: Τα συμβολομετρικά ζεύγη που προέκυψαν από τον υπολογισμό του ανύσματος βάσης Σύνθεση Συμβολογραφήματος Όπως προαναφέρθηκε από τον υπολογισμό του ανύσματος βάσης προέκυψαν 187 συμβολομετρικά ζεύγη. Παρόλα αυτά έπειτα από δοκιμές με όλα τα ζεύγη φάνηκε ότι πολλά από αυτά παρουσίαζαν σφάλματα κυρίως κατά το βήμα της εκτύλιξης της φάσης. Έτσι τα ζεύγη συμβολογραφημάτων που ήταν αποδεκτά και αξιοποιήθηκαν τελικά, παρουσιάζονται παρακάτω. Α/Α Master Slave Χρονική διαφορά μεταξύ Άνυσμα Βάσης του ζεύγους (μέρες) (m) , , , , , , ,4 103

105 , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,9 104

106 , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,3 Πίνακας 6-3: Αποδεκτά συμβολομετρικά ζεύγη που χρησιμοποιήθηκαν και στο τελικό βήμα της σώρευσης διαφορικών συμβολογραφημάτων Κατά το βήμα αυτό υπολογίστηκε επίσης και η συνοχή (Coherence) της περιοχής μελέτης μεταξύ των εικόνων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η περιοχή χαρακτηρίζεται από χαμηλά ποσοστά συνοχής, κάτι το οποίο ήταν αναμενόμενο καθώς η περιοχή μελέτης καλύπτεται κυρίως από βλάστηση και καλλιεργούμενες εκτάσεις, όπως φάνηκε και στο κεφάλαιο 4 από τον χάρτη κάλυψης γης. Πέραν της έντονης παρουσίας βλάστησης και καλλιεργειών, σημαντικός παράγοντας που συνετέλεσε 105

107 στην χαμηλή συνοχή τον εικόνων είναι και η χρονική αποσυσχέτιση. Η συνοχή μειώνεται όταν μεγαλώνει το χρονικό διάστημα μεταξύ των λήψεων και στην συγκεκριμένη έρευνα ήταν σημαντική η χρήση εικόνων με μακρινές ημερομηνίες λήψης καθώς ερευνάται ένα φαινόμενο που προκαλεί αργού ρυθμού παραμορφώσεις. Παρόλα αυτά, η συνοχή των εικόνων που εντοπίστηκε στους οικισμούς ήταν ιδιαίτερα ικανοποιητική. Εικόνα 6-10: Απεικόνιση μέσου όρου συνοχής μεταξύ των εικόνων σε γεωμετρία SAR Εφαρμογή Φίλτρου Τα συμβολογραφήματα που παράγονται περιλαμβάνουν μεγάλα ποσοστά θορύβου, που προκύπτουν από διάφορες αιτίες, π.χ. θερμικός θόρυβος, χωρική και χρονική αποσυσχέτιση κ.α.. Η ύπαρξη του θορύβου δυσχεραίνει σημαντικά την διαδικασία της εκτύλιξης της φάσης (Ferretti, et al., 1999). Για τον λόγο αυτό κρίνεται απαραίτητη η εφαρμογή φίλτρου με σκοπό την μείωση του θορύβου ώστε να ενισχυθεί η 106

108 ακρίβεια και η αξιοπιστία των εκτυλιγμένων αποτελεσμάτων. Έχουν αναπτυχθεί πολυάριθμες τεχνικές φιλτραρίσματος με πιο διαδεδομένη την τεχνική των φίλτρων προσαρμοστικότητας (adaptive filtering). Σύμφωνα με τους Goldstein και Werner (Goldstein & Werner, 1998) με την χρήση αυτού του είδους φίλτρων, μεγιστοποιείται η ισχύς του σήματος σε σχέση με τον θόρυβο που παρατηρείται. Επίσης εφαρμόζονται στην τοπική βαθμίδα της φάσης αποτρέποντας την γενικευμένη ομαλοποίηση της στον χώρο. Όπως όλα τα χωρικά φίλτρα λειτουργούν βάσει ενός συγκεκριμένου παραθύρου, έτσι και στην συγκεκριμένη έρευνα χρησιμοποιήθηκε παράθυρο μεγέθους 64 x 64 pixel Εκτύλιξη της Φάσης Το στάδιο της εκτύλιξης της φάσης (phase unwrapping) είναι το πιο σημαντικό και ταυτόχρονα το πιο δύσκολο και απαιτητικό στην τεχνική της Συμβολομετρίας. Σκοπός της εκτύλιξης της φάσης είναι η ανάκτηση της πληροφορίας των ακέραιων κύκλων έτσι ώστε η τιμή της φάσης να λαμβάνει τιμές πέρα από το όριο [0,2π) (Φουμέλης, 2009 από Goldstein et al, 1988). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τις συνεχείς τιμές φάσης στο σύνολο του συμβολογραφήματος μέσω της προσθήκης ενός ακέραιου πολλαπλάσιου του 2π σε κάθε εικονοστοιχείο. Εικόνα 6-11: Μετατροπή της φάσης από κύκλους εύρους 2π rad σε πραγματική και συνεχή μέσω της εκτύλιξης φάσης 107