INSAR ZAMAN SERİLERİ İLE YER YÜZEYİ HAREKETLERİNİN İZLENMESİ: ZONGULDAK KOZLU MADEN ALANI ÖRNEĞİ Füsun BALIK ŞANLI 1, Saygin ABDIKAN 1, Mahmut ARIKAN 2,3, Ziyadin ÇAKIR 4, Hüseyin KEMALDERE 5 1 Yrd. Doç. Dr., Yıldız Teknik Üniversitesi, Harita Mühendisliği Bölümü, 3421, Esenler, Istanbul, fbalik@yildiz.edu.tr 1 Yük. Müh.,Yıldız Teknik Üniversitesi, Harita Mühendisliği Bölümü, 3421, Esenler, Istanbul, sabdikan@yildiz.edu.tr 2 Yük. Müh., Delft University of Technology, Delft, Netherlands,m.arikan@tudelft.nl 3 BeeSense, Consultancy and Engineering on Geo-information Technologies, Delft, Netherlands, m.arikan@beesense.nl 4 Doç. Dr., İstanbul Teknik Üniversitesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, 34469, Maslak, İstanbul, ziyadin.cakir@itu.edu.tr 5 Yrd. Doç. Dr., Bülent Ecevit Üniversitesi, Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Bölümü, 671, Zonguldak, kemaldere@hotmail.com ÖZET Türkiye nin tek ve en büyük yeraltı taşkömürü madenciliği Zonguldak bölgesinde yapılmaktadır. 1848 yılında başlayan madencilik günümüzde de aktif olarak sürdürülmektedir. Uzun süredir devam eden madencilik faaliyetleri sebebiyle yeryüzünde geniş alanları kaplayan deformasyonlar oluşmaktadır. Maden calışmalarının yürütüldüğü bölgelerde yerleşim birimlerinin de yer alması nedeniyle pek cok insan hayatı büyük bir tehlike altındadır. Klasik jeodezik yöntemler, her zaman uzun zaman aralıklı ölçümler yapılmadığı için bu tür yüzey hareketlerinin izlenmesinde yeterli olamamaktadır. Klasik yöntemlere alternatif olarak bu çalışmada uydu bakışı yönünde meydana gelen deformasyonun izlenmesi amacıyla Interferometrik Yapay Açıklıklı Radar (Interferometric Synthetic Aperture RADAR - InSAR) yöntemi kullanılmıştır. 23-21 yılları arasında alınmış 25 ENVISAT/ASAR görüntüleri StaMPS yazılımı ile sabit saçıcılar (Persistent Scatterers Interferometry: PSI) tekniği kullanılarak incelenmiştir. ENVISAT sonuçlarına göre Kozlu maden alanında ortalama deformasyon hızı bakış doğrultusu boyunca 7-8 mm/yıl olarak bulunmuştur. Hareketin tamamen düşey olduğu farz edilirse bu hız yaklaşık 8-9 mm/yıl olacaktır. Anahtar Sözcükler: ENVISAT, InSAR, PSI, Yüzey Deformasyonu ABSTRACT MONITORING SUBSIDENCE USING INSAR TIME SERIES ANALYSIS: A CASE STUDY FOR ZONGULDAK KOZLU MINING AREA Zonguldak city has the largest underground hard coal mine source of Turkey. Since 1848 mining activities has been continued constantly. Due to mining production wide areas have been subject to Earth surface subsidence which is seriously dangerous for human life. Nowadays, conventional geodetic deformation measurement methods may fail if there is not enough measurement in long time period. In this study, we used Interferometric SAR (InSAR) as an alternative subsidence monitoring method. For the application, 26 ENVISAT/ASAR images are used for the period between 23 and 21. Persistent Scatterers Interferometry (PSI) approach of StaMPS software is used for the estimation on long term subsidence monitoring. Analysis of time series suggests an approximately 7-8 mm/year of Line of Sight (LOS) subsidence which corresponds to a rate of ~8-9 mm/year of vertical subsidence (assuming that movements are purely vertical). Keywords: ENVISAT, InSAR, PSI, Surface Deformation 1. GİRİŞ Zonguldak Taşkömürü Havzası, Zonguldak ve Bartın illeri içersinde yer alan, Türkiye de taşkömürü madeninin çıkarıldığı tek bölgedir. Yeraltı kömür madenciliği 19 yy. ortalarında baslamış olup halen aktif bir sekilde üretim yapılmaktadır. 15 yıldan fazla zaman sürecinde yaklaşık olarak 4 milyon ton taşkömürü üretimi gerçekleştirilmiştir (URL 1). 2 yy. ın başlarından itibaren de sürekli ve yoğun maden üretiminden dolayı yer yüzeyinde deformasyonlar gözlenmiştir (Buyurgan, 198). Zonguldak ta kömür işletmeciliği Türkiye Taşkömürü Kurumu (TTK) tarafından yürütülmektedir. Çoğunlukla enerji üretimi ve demir-çelik sektöründe kullanılan taşkömürü, ulusal ekonomiye katkısı açısından önem taşımaktadır. Türkiye 198 li yılların baslarında Taşkömürü tüketiminin % 8 ini yerli kaynaklar tarafından karşılarken 21 yılında tüketilen 25,5 milyon tonluk tüketimin ise sadece % 9,8 i yerli kaynaklarca sağlanmıştır. Bu da Türkiye nin büyük miktarlarda kömür ithalatı yaptığını gösterir (URL 1). TTK nın -12 m ye kadar yapmış olduğu rezerv arama sonuçlarına göre havzada yaklaşık olarak 1,32 milyar ton kömür rezervi bulunmaktadır ve bunun 158,5 milyon tonu Kozlu da yer almaktadır (URL 1). Şimdiye kadar devam eden kömür faaliyetleri nedeniyle sıklıkla yer yüzeyinde çökmeler oluşmuş ve bu nedenle pek çok yapı büyük hasarlara uğramıştır (Buyurgan 198, IV. Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri Sempozyumu (UZAL-CBS 212), 16-19 Ekim 212, Zonguldak
Can vd. 211). Bu çökmeler sadece insan hayatını tehdit etmekle kalmayıp bina, yol, liman yapıları ile endüstri ve çevreyi de tehdit etmektedir. Kömür işletmeleri dışında illegal madencilik faaliyetleri de can ve mal güvenliğini tehlikeye atmaktadır (Kutoğlu vd., 21). Bu çalışmada Kozlu bölgesindeki yeraltı madenciliğinden kaynaklanan çökmelerin izlenmesi için sabit saçıcılar interferometri (Persistent Scatterer Interferometry - PSI) yöntemi kullanılmıştır. Zonguldak bölgesinde yer yüzeyi çökmelerinin belirlenmesinde daha önce yapılmış GPS ve Diferansiyel InSAR (DInSAR) yöntemleri de mevcuttur (Akcin vd. 21). Ancak bu yöntemler kısa zaman aralığına ait gözlemler olduğu için bölgeye ait deformasyonun zaman içindeki mekansal dağılımı sağlıklı bir şekilde belirlenememektedir. DInSAR yöntemde, aynı bölgeden tekrarlı geçiş ile elde edilen iki SAR görüntüsü (repeat-pass) arasındaki faz farkı ölçülerek üretilen interferogram ile görüntü alımları arasında oluşan deformasyon tespit edilir (Bamler ve Hartl 1998). InSAR yöntemine ait detaylı bilgiler Gens ve van Genderen (1996), Bamler and Hartl (1998), Hanssen (21) kaynaklarından elde edilebilir. DInSAR yöntemi madencilik (Ge vd. 27, Akcin vd. 21), heyelan (Berardino vd. 23), deprem (Akoglu vd. 26), buzul hareketleri (Cheng ve Xu 26), yüzey çökmeleri (Kim vd. 25) gibi pekçok çalışmada başarıyla kullanılmıştır. Diğer yandan tekrarlı geçiş InSAR yöntemimde baz uzunluğunun çok uzun olmasından dolayı geometrik bozukluklar ve görüntü çiftlerinin alım aralığının uzun olması nedeniyle de zamansal korelasyon bozuklukları meydana gelmektedir. DInSAR ın diğer bir dezavantajı da görüntüler arası atmosfer koşullarının homojen olmamasıdır. Bu tür etkilerin azaltılması amacıyla Ferretti vd. (21) tarafından PSI yöntemi geliştirilmiştir. Bu çalışmada StaMPS (Stanford Methodfor Persistent Scatterers) yazılımına ait PSI yöntemiyle (Hooper vd. 27) 23-21 arasında alınmış ENVISAT görüntüleri kullanılarak Zonguldak ın Kozlu maden bölgesinde meydana gelen yüzey hareketleri 6 yıllık uzun zaman aralığı için gözlenmiştir. Madencilikten kaynaklanan deformasyonun mekanda zamansal gelişimi zaman serileri ile de gösterilerek PSI yöntemi etkin bir şekilde uygulamıştır. 1.1 Çalışma Alanı Türkiye de deniz altında taşkömürü üretimi yapan tek alan Kozlu bölgesindedir (URL 1). TTK nın Kozlu da ki taşkömürü işletme müessesesi Zonguldak il merkezinın yaklaşık 8 km batısında bulunmakta ve yaklaşık 12 km 2 lik bir alanı kaplamaktadır. Bu çalışmada şehir merkezini de kapsayacak şekilde yaklaşık 4 km 2 lik bir alan seçilmiştir. Çalışma alanı tepelik bir bölge olduğu için yerleşim dağınık bir şekilde konumlanmıştır. Yükseklik değerleri -4 m arasında değişmektedir (Şekil 1.). Ortalama %7 lik nem oranına sahıp bölge hemen her dönem yağış almaktadır. Bölgede kömür üretim çalışmaları -2 m ile -63 m arasında değişmektedir, kömür galerilerinin konumları Şekil 1. de gösterilmiştir. Şekil 1. Çalışma alanı Kozlu 2. KULLANILAN VERİLER VE SAR İNTERFEROMETRİ YÖNTEMİ Bu çalışmada Avrupa Uzay Ajansı nın (European Space Agency-ESA) uydusu olan ENVISAT uydusunun SAR görüntüleri kullanılmıştır. Alçalan yörüngede ve düşey-düşey (VV) polarizasyonda alınan görüntüler C-banda (dalgaboyu λ= 5,6 cm) sahiptir. Kasım 23 ve Ocak 21 yılları arasında alınmış toplam 25 arşiv görüntüsü tek izde (track no:21) ve tek çerçevede (frame no:277) seçimiştir. Ilk etapta işlenmemiş (raw / Level ) formatta alınan görüntülerin tek bakışlı kompleks (Single Look Complex-SLC) görüntü formatına dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu dönüşüm için ROI_PAC yazılımı kullanılmıştır (Rosen et al. 24). SLC görüntülerden bir tanesi ana görüntü seçilerek diğer tüm görüntülerle eşleştirilmiştir ve DORIS yazılımı ile interferogramlar oluşturulmuştur IV. Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri Sempozyumu (UZAL-CBS 212), 16-19 Ekim 212, Zonguldak
(Kampes vd., 23). Kullandığımız verilerden 25817 tarihli veri, ana görüntü seçilerek 24 interferogram hesaplanmıştır. Çizelge 1 de oluşturulmuş interferogramlara ait baz uzunlukları gösterilmektedir. InSAR çiftleri arasında zaman farkı yaklaşık olarak maksimum 4,5 yıl, dikey baz uzunluğu da maksimum 495 m dir. Çizelge 1. ENVISAT görüntüleri ve InSAR çiftlerine ait baz uzunlukları. Veri No Veri alım Tarihi B zaman (Gün) B dikey (m) B Dopp (Hz) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 21 22 23 24 25 231126 2424 2431 24519 24623 24728 2491 2416 241215 25119 2554 25817 25113 26315 26122 27228 2759 27718 27131 29513 29617 29722 29826 2993 21113-63 -56-525 -455-42 -385-35 -315-245 -21-15 15 21 49 56 63 7 85 1365 14 1435 147 155 161-272 -261 371-55 -271 18 313-43 -162-355 495-312 15 89 64-16 -21 68-67 211-228 153-336 -149 84.46-277.82-4.39-7.14-11.8-17.3-17.98 6.71-4.76-4.61-2.8-29.56-44. -4.59-29.98-24.63-38.24-28.13-21.83-22.83-76.11-24.72 6.15-7.73 Bu uygulamada StaMPS yazılımına ait PSI yöntemi kullanılmıştır (Hooper vd. 27). Bu yöntemde mekanda yüksek korelasyona sahip pikseller faz bilgisinden elde edilmektedir. Interferogramı oluşturan faz bileşenleri; (1) def topo şeklinde tanımlanmaktadır. Burada InSAR çifti arasındaki faz farkı Φ; deformasyon Φ def, kullanılan Sayısal Yükseklik Modelinden (SYM) ileri gelen artık faz Φ topo, yörünge hatasından dolayı oluşan artık faz Φ orb ve gürültülerden Φ n oluşur. Genlik dağılım indeksi ile bilgisi, korelasyonu yüksek aday pikselleri seçmede kullanılır. D A genlik dağılım indeksi, μ A genlik görüntülerin ortalaması ve σ A genlik bilgisine ait standart sapma olmak üzere aşagidaki şekilde tanımlanır (Ferretti vd. 21). A D A (2) Pikselin PS olarak seçilebilmesi için hem genlik hem de sabit kalan faz bilgisi kullanılır. Daha sonra SYM den kaynaklanan Φ topo artık faz hatası giderilerek faz çözümleme işlemi (unwrapping ) yapılır. Uygulamada SYM verisi olarak ~9 m çözünürlüğe sahip SRTM görüntüsü kullanılmıştır. Yörünge hatalarının elde edilmesinde ESA nın hassas DORIS yörünge bilgileri kullanılmıştır. Bu yaklaşımda faz bileşenleri mekansal korelasyona sahiptir ancak deformasyon dışındakiler zamansal korelasyona sahip değildir. Zamanda yüksek geçirgenli (high-pass) ve mekanda alçak geçirgenli (low-pass) filtreler kullanılarak hatalar kestirilir ve deformasyon bilgisi elde edilir (Hooper vd. 27). A orb atm n IV. Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri Sempozyumu (UZAL-CBS 212), 16-19 Ekim 212, Zonguldak
F. Balık Şanlı vd. :INSAR ZAMAN SERİLERİ İLE YER YÜZEYİ HAREKETLERİNİN İZLENMESİ 3. SONUÇLAR ENVISAT görüntüleri ile yapılan PSI uygulamasında 1827 PS noktası (~46 PS/km2) elde edilmiştir. LOS boyunca meydana gelen ortalama yer değiştirme R referans bölgesinden seçilen noktaya göre bağıl olarak hesaplanmıştır. Zonguldak şehir merkezinin kuzeyinde bulunan bu bölgede noktalar sıfıra yakın değerler alarak (± 1 mm/yıl) deformasyona uğramayan alanları göstermektedir. Çalışma alanında maksimum çökme hızı ~ 7.5 mm/yıl olarak gözlenmiştir. Deformasyon daha çok maden galerilerinin kuzeyinde ve güneyinde yoğunlaşmaktadır. PS noktaların büyük bir çoğunluğu yerleşim yerlerinde binalar, liman üzerinde gözlenirken, Kozlu maden alanında da noktalar belirlenmiştir (Şekil 2). Deformasyonun olduğu bölgeden 2 PS noktası seçilerek deformasyonun zaman analizi yapılmıştır. Kuzeyde PS1 ve güneyde PS2 alanlarından seçilen noktaların zaman analizleri yapılarak sırasıyla yaklaşık olarak ~43 mm ve ~39 mm olarak belirlenmiştir (Şekil 3). R PS1 Kozlu Maden Galerileri - 3 m PS2-425 m - 485 m - 56 m - 63 m 2.5km Şekil 2. LOS boyunca meydana gelen ortalama hız vektörü Şekil 3. Seçilen PS noktalarına ait deformasyon değerleri Daha önce yapılmış GPS ve InSAR çalışmalarında kısa zaman aralıklı ölçümler için deformasyon değerleri belirlenmiştir. Kozlu bölgesi için L-band JERS-1 uygusuna ait 1995 tarihli görüntü çifti ile güneyde 24 mm/4.5 ay, 25-26 yılları arasında alınmış 15 C-band Radarsat-1 görüntüsü ile de 44 mm/yıl deformasyon gözlenmiştir. Yine 25-26 yılları arasında yapılan 3 GPS noktasına ait ölçümlerle de ortalama 61 mm/yıl deformasyon gözlenmiştir (Akcin vd. 21). Bir sonraki GPS ölçümü de 29-21 yılları arası ölçülmüş ve 11-14 mm/yıl deformasyon değerleri belirlenmiştir (Can vd. 211). GPS ağının çok geniş olmaması ve InSAR sonuçlarının da kısa zaman aralığına sahip ait olması bölgedeki deformasyonun mekanda dağılımı ve zamansal gelişimi detaylı bir şekilde belirlenememektedir. PSI sonuçlarına göre uzun zaman aralığına ait küçük yer değiştirmeler daha geniş alanları da kapsayarak etkin bir şekilde belirlenebilmektedir. Genellikle şehir alanında dağılan PS noktalarının mekansal dağılımu ve sıklığı çökme alanının sınırlarını göstermesi, bölgedeki stratejik noktaların kontrol altında yönetilmesi açısından önemli bir sonuçtur. Yüzey deformasyonunun gelişiminin gözlenmesi daha sonra yapılabilecek risk değerlendirmelerinin sağlıklı yürütülmesini kolaylaştıracaktır. Ayrıca uzun zaman aralıklı ölçümlerle belirlenen deformasyonun nasıl değiştiğinin gözlenmesi hasar görebilirlik riskinin belirlenmesinde ve şehirleşmenin gelişiminde önemli bir rol oynayacaktır. Bir sonraki çalışmada şehir alanı dışında kalan maden alanları orman alanlarında da etili olan L-band ALOS/PALSAR verileri kullanılarak değerlendirilecektir. IV. Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri Sempozyumu (UZAL-CBS 212), 16-19 Ekim 212, Zonguldak
SONSÖZ Bu çalışma Yıldız Teknik Üniversitesi nin 28-5-3-2 no lu Bilimsel Araştırma Projesi ve Hollanda Hükümeti Huygens Bursu tarafından desteklenmiştir. ENVISAT görüntüleri ESA nın 6563 no lu CAT-1 projesi tarafından sağlanmıştır. KAYNAKLAR Akcin, H., Kutoglu, H.S., Kemaldere, H., Deguchi, T., Koksal E., 21, Monitoring subsidence effects in the urban area of Zonguldak Hardcoal Basin of Turkey by InSAR-GIS integration, Natural Hazards and Earth System Sciences, 1, 187-1814. Akoglu, A.M., Cakir, Z., Meghraoui, M., Belabbes, S., El Alami, S.O., Ergintav, S., Akyüz, H.S., 26, The 1994 24 Al Hoceima (Morocco) earthquake sequence: Conjugate fault ruptures deducedfrom InSAR., Earth Planet. Science Letters, 252, 467-48. Bamler, R., Hart, P., 1998, Synthetic aperture radar interferometry, Inverse Problems, 14, R1 R54. Berardinoa, P., Costantinib, M., Franceschettic, G., Iodicec, A., Pietranerab, L., Rizzo, V., 23, Engineering Geology, 68, 31 51. Buyurgan, Ş., 198, Zonguldak Havzasındaki Tasman Hasarları ve Kentin Geleceği, Türkiye 2. Kömür Kongresi 12-16 Mayıs 198, Zonguldak, 251-267. Can, E., Kuscu. S., Mekik, C., 211. Determination of underground mining induced displacements using GPS observations in Zonguldak-Kozlu hard coal basin, International Journal of Coal Geology, doi:1.116/j.coal.211.8.6. Cheng, X., Xu., G., 26, The integration of JERS-1 and ERS SAR in differential interferometry for measurement of complex glacier motion, Journal of Glaciology, 52(176), 8-88. Ferretti A., Prati C., Rocca F., 21. Permanent Scatteres in SAR Interferometry. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 39 (1), 8-2. Ge, L., Chang, H.C., Rizos, C., 27, Mine Subsidence Monitoring Using Multi-source Satellite SAR Images, Photogrammetric Engineering & Remote Sensing,73(3), 259-266. Gens, R., van Genderen, J.L., 1996. SAR interferometry - issues, techniques, applications, International Journal of Remote Sensing, 17, 183-1835. Hanssen, R.F., 21, Radar Interferometry: Data interpretation and error analysis, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. Hooper, A., Segall, P., Zebker, H., 27, Persistent Scatterer InSAR for Crustal Deformation Analysis, with Application to Volcán Alcedo, Galápagos. Journal of Geophysical Research, 112, B747, doi:1.129/26jb4763. Kampes, B.M., Hanssen, R., Perski, Z., 23, Radar Interferometry with Public Domain Tools, FRINGE Workshop 1-5 December, Frascati, Italy. Kim, S.W., Lee, C.W., Song, K.Y., Min, K.D., Won J.S., 25, Application of L-band differential SAR, interferometry to subsidence rate estimation in reclaimed coastal land, International Journal of Remote Sensing, 26, (7), 1363 1381. Kutoğlu, H.Ş. Akçın, H., Kemaldere, H., Deguchi, T., Kato, M., 21 İllegal Madencilik Faaliyetlerinin Dinsar ile Belirlenmesi HKM Jeodezi, Jeoinformasyon ve Arazi Yonetimi Dergisi, 11-12.THBTK Özel Sayı. Rosen, P.A., Hensley, S., Peltzer, G., Simons, M., 24, Updated repeat orbit interferometry package released, EOS Transactions - American Geophysical Union, 85 (5). URL 1: TTK Genel Müdürlüğü, 21 Yılı Faaliyet Raporu, 211. http://www.taskomuru.gov.tr/file/211.pdf IV. Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri Sempozyumu (UZAL-CBS 212), 16-19 Ekim 212, Zonguldak