Detekcja i monitorowanie zatorów lodowych na rzekach z wykorzystaniem danych Sentinel-1

Bartosz Wieczorek, Zakład Teledetekcji Satelitarnej

Fala arktycznych mrozów, która dotarła ostatnio do Polski wywołała zjawiska, z którymi w ostatnich latach nie mieliśmy odczynienia na szerszą skalę. Chodzi o wezbrania i powodzie zatorowe.

Ostatnie pokolenie Polaków może nie pamiętać i nie zdawać sobie również sprawy z tego jak groźne potrafi być to zjawisko. Podobnie jak w przypadku powodzi innego typu, mamy do czynienia ze zalaniem posesji, domów i gospodarstw rolnych, jednak fakt, że ma to miejsce zimą, podczas silnych mrozów, utrudnia usuwanie jej skutków. Efekt jest tym bardziej niebezpieczny i zaskakujący, że ciężko jednoznacznie określić miejsce w którym może dojść do takiego zjawiska.

Opierając się jedynie na cząstkowych przesłankach (dane wodowskazowe, bezpośrednie dane terenowe)  określenie dokładnego miejsca wystąpienia oraz wielkości zatoru lodowego było bardzo trudne, a w sporej liczbie przypadków niemożliwe. .

W dzisiejszych dniach z pomocą przychodzi nam współczesna teledetekcja satelitarna ze szczególnym uwzględnieniem satelitów radarowych takich jak Sentinel-1 Programu Copernicus. Dzięki umieszczeniu dwóch satelitów na dokładnie tej samej orbicie oraz szerokiemu na 250km pasowi pokrycia zobrazowania terenu jesteśmy w stanie z relatywnie dużą częstotliwością pozyskiwać informacje o powierzchni ziemi bez względu na stan zachmurzenia oraz porę dnia. Dostępność danych Sentinel-1 w Polsce, w cyklu 6-ciodniowym została przedstawiona na rycinie 1.

Dane radarowe Sentinel-1 bardzo pomocne w przypadku monitorowania wezbrań powodziowych potrafią być również przydatne do obserwacji zlodzenia rzek i zbiorników wodnych. Za przykład mogą posłużyć sytuacje z ostatnich dni, kiedy to  nad większość kraju napłynęły masy zimnego powietrza arktycznego. Kilkunastostopniowe mrozy  spowodowały szybki rozwój pokrywy lodowej nie tylko na spokojnych wodach zalewów i jezior ale również na rzekach.

Do detekcji zlodzenia rzek przydatne są również dane z satelity Sentinel-2, jednak w tym przypadku ich zastosowanie ogranicza się jedynie do bezchmurnych sytuacji co zostało pokazane na rycinie 2 prezentującej obrazy Sentinel-2. Dodatkowym utrudnieniem w interpretacji zimowych obrazów Sentinel-2 w barwach prawdziwych jest trudność w rozróżnieniu śniegu od chmur i dopiero zastosowanie dedykowanej kompozycji barwnej pozwala odróżnić od siebie te dwa obiekty, co zostało pokazane na rycinie 2.

Ze względu na ograniczone zdolności obserwacyjne satelitów optycznych takich jak Sentinel-2 wymagających braku zachmurzenia w celu bieżącego monitoringu stanu rzek wykorzystywany jest Sentinel-1. Na zdjęciach radarowych widoczne jest echo odbicia wiązki radarowej od obiektu znajdującego się na powierzchni ziemi. Obiekty gładkie na tych obrazach są czarne (np. spokojna woda) natomiast obiekty szorstkie są oznaczone odcieniami szarości: im większa szorstkość, tym jaśniejszy jest obiekt. Oznacza to, że w przypadku pojawienia się na rzece śryżu lub połamanej kry szorstkość powierzchni wody znacząco się zwiększa i rzeka w tym miejscu staje się jasno szara lub biała.

Właśnie takie obszary, w których występuje wyraźne zbicie połamanego, ostrokrawędzistego lodu powstające w rejonie zatorów lodowych jesteśmy w stanie wyłapać na zdjęciu radarowym co pomaga nam ustalić przybliżoną lokalizacje i potencjalną wielkość tworzącego się zatoru lodowego.

Powstające na rzece zatory lodowe powodują wzrost poziomu wody na tej rzece (Ryc.6 i 7) powyżej zatoru, co z kolei może prowadzić do jej rozlania.

Warto zwrócić uwagę, że woda na obszarze spokojnego zbiornika wodnego zamarza w sposób równomierny i gładki, tak więc jeśli nie dochodzi do spękania powierzchni zlodzenia taki zbiornik będzie na obrazie satelitarnym czarny, tak jak spokojna, niezmarznięta woda. Pokazuje to trudność w poprawnej interpelacji obrazów radarowych, a w szczególności odróżnienia od siebie różnych rodzajów gładkich powierzchni (Ryc.9 i 10).