Wrześniowa powódź pokazała, jak istotny podczas tego rodzaju zdarzeń, jest szybki dostęp do aktualnych informacji o przebiegu katastrofy. Kluczowym wyzwaniem okazało się monitorowanie zasięgu obszarów zalanych przez wezbrane wody, czego dowodem było wykorzystanie – na niespotykaną dotąd w Polsce skalę – danych satelitarnych. Dzięki rozwojowi technologii kosmicznych oraz rozbudowie konstelacji satelitów do obserwacji Ziemi (Earth Observation), dane teledetekcyjne stały się cennym źródłem informacji nie tylko dla gospodarki, m.in. rolnictwa czy przemysłu. Są one również ważnym narzędziem wspomagającym zarządzanie kryzysowe oraz pracę służb.
OPRACOWANIE:
Artur Rutkowski, Andrzej Strychalski. Zakład Teledetekcji Satelitarnej, Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju, IMGW-PIB.
Joanna Depta, Natalia Strojna. Pracownia Doskonalenia Produktów Hydrologicznych, Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju, IMGW-PIB.
W hydrologicznej osłonie kraju od lat najważniejszym źródłem danych do monitorowania i prognozowania sytuacji na rzekach są pomiary z hydrologiczno-meteorologicznej sieci pomiarowo-obserwacyjnej IMGW-PIB oraz informacje na temat charakterystyki dna koryta rzecznego i terenów zalewowych. Wraz z prognozami meteorologicznymi stanowią one bazę dla setek modeli hydrologicznych (hydraulicznych i hydrodynamicznych), które uruchamia się kilka razy na dobę w celu obliczenia prawdopodobnego przebiegu stanu wody i natężenia przepływu w rzekach. W ostatnich latach ważnym wsparciem w tym procesie stają się dane satelitarne.
Największą zaletą tej technologii jest możliwość jednoczesnego monitoringu rozległych obszarów, a zwłaszcza terenów niedostępnych dla tradycyjnych metod pomiarowych – i to niezależnie od stanu infrastruktury telekomunikacyjnej czy drogowej, która może być uszkodzona np. w wyniku powodzi. Dane satelitarne dokumentują też sytuacje, których modele hydrologiczne nie mogły przewidzieć, jak chociażby awarie budowli hydrotechnicznych (zapór, wałów przeciwpowodziowych). Podczas tego rodzaju zdarzeń są wsparciem dla służb ratunkowych, a post factum stają się cennym studium przypadku do wnioskowania na przyszłość.
Warto zaznaczyć, że IMGW-PIB jest częścią tzw. segmentu naziemnego współpracującego z Europejską Agencją Kosmiczną (ESA) w ramach inicjatywy „Collaborative Ground Segment”. Dzięki temu porozumieniu instytut może odbierać dane bezpośrednio z satelitów Sentinel-1 za pomocą własnej infrastruktury[i].
Dostępne metody obserwacji
W analizie sytuacji powodziowej szczególnie użyteczne są dane pochodzące z urządzeń satelitarnych pracujących w dziedzinie optycznej, podczerwonej oraz mikrofalowej. Instrumenty te można podzielić na pasywne i aktywne.
Instrumenty pasywne nie wysyłają własnych sygnałów, lecz rejestrują promieniowanie naturalnie emitowane lub odbite przez powierzchnię Ziemi, głównie pochodzące od Słońca. Przykładami satelitów wyposażonych w taką aparaturę są Sentinel-2 oraz Landsat, dostarczające informacji w różnych zakresach widma elektromagnetycznego (kanałach), którym można przypisać różne kolory tworząc tzw. kompozycje barwne. Takie obrazy RGB mogą oddawać rzeczywistość w sposób zbliżony do postrzegania jej przez oko ludzkie (tzw. “true color”), ale wykorzystywane są również warianty w nienaturalnych barwach, pozwalające na lepsze wyróżnienie szczegółów interesujących nas powierzchni.
Na bazie znanych właściwości odbicia i absorbcji promieniowania przez różne elementy znajdujące się na powierzchni Ziemi można konstruować mapy przedstawiające tzw. indeksy, np. indeks wody (NDWI), indeks wegetacji (NDVI) czy indeks glebowy. Poprzez operacje matematyczne na poszczególnych kanałach uzyskuje się mapy, które mogą wskazywać np. obszary pokryte wodą czy roślinność w złej kondycji.
Często stosowanym satelitą do obrazowania powierzchni Ziemi z użyciem instrumentów pasywnych jest Sentinel-2, który dostarcza materiałów o rozdzielczości przestrzennej 10 metrów. Dzięki temu możliwe jest rozróżnianie wielu szczegółów powierzchni ziemi. Na poniższych przykładach przedstawiono obrazowanie powodzi w okolicach Lewina Brzeskiego za pomocą danych z Sentinel-2. Na ich podstawie można całościowo ocenić, jak rozległy obszar został dotknięty powodzią. Widać zalane poldery i pola, chociaż trzeba zauważyć, że miejscami występuje ograniczona rozdzielczość przestrzenna, co sprawia, że ocena stopnia zalania niektórych obszarów może być trudna i niejednoznaczna.
Warto zwrócić uwagę, że zobrazowania powierzchni ziemi przy użyciu wspomnianych wcześniej instrumentów pasywnych daje się wykonywać jedynie przy bezchmurnym niebie i w ciągu dnia. Promieniowanie optyczne i podczerwone jest bowiem blokowane przez chmury, a podczas powodzi często mamy do czynienia z dużym, a nawet całkowitym zachmurzeniem. W takich sytuacjach z pomocą przychodzą dane z instrumentów aktywnych, które znajdują się np. na pokładach satelitów Sentinel-1 czy ICEYE. Aparaty te emitują własne sygnały w mikrofalach, które po odbiciu od powierzchni Ziemi wracają do satelity i są rejestrowane. Na podstawie czasu powrotu, intensywności oraz innych cech odbitego sygnału można uzyskać szczegółowe informacje o stanie powierzchni. Taki sposób obrazowania umożliwia prowadzenie obserwacji niezależnie od warunków oświetleniowych (zarówno w dzień, jak i w nocy) i atmosferycznych (bez względu na zachmurzenie).
W hydrologii, a szczególnie podczas monitorowania powodzi, najczęściej wykorzystywane są satelity radarowe, które stosują technikę syntetycznej apertury (SAR). Znajdujący się na orbicie satelita Sentinel-1A, wystrzelony w ramach programu Copernicus, dostarcza informacji o powierzchni Ziemi z rozdzielczością 10 metrów – niższą niż w przypadku niektórych komercyjnych satelitów, ale nadal wyróżniającą się w porównaniu z innymi satelitami środowiskowymi. Niestety analiza danych SAR wymaga doświadczenia lub zaawansowanych algorytmów komputerowych, w tym, coraz częściej, uczenia maszynowego. Głównym wyzwaniem są więc w tym przypadku trudności wynikające z natury pomiarów radarowych. Satelita mierzy przede wszystkim „szorstkość” terenu. Uzyskany obraz zależy również od kąta padania sygnału wysyłanego przez satelitę na powierzchnię oraz od jej wilgotności. W efekcie, różne obszary, takie jak tafla wody, sucha ziemia czy lotnisko, mogą być trudne do rozróżnienia. Drogi rozpraszania promieniowania mikrofalowego mogą być dość złożone, ponieważ zależą od wzajemnych relacji pomiędzy ukształtowaniem terenu, jego pokryciem oraz wilgotnością. W takich sytuacjach większa ilość danych z różnych polaryzacji oraz dodatkowe źródła, takie jak zobrazowania optyczne z satelity Sentinel-2, dane radarowe i pomiary in situ, mogą pomóc w lepszej interpretacji rzeczywistej sytuacji. W IMGW-PIB trwają obecnie prace nad wdrożeniem tego rodzaju rozwiązań w trybie operacyjnym.
Nie można jednak zapominać o ograniczeniach związanych z czasem rewizyty satelitów nad tym samym obszarem. Poniższe grafiki pokazują przeloty satelity między 13 a 21 września 2024 r. nad obszarem objętym stanem klęski żywiołowej. Dla Sentinel-1A okres rewizyty wynosi aż 12 dni[ii]. Mimo że niektóre przeloty częściowo się pokrywają, informacja o zalanych terenach powinna być, w miarę możliwości, uzupełniana danymi z innych satelitów SAR, w tym również ze źródeł komercyjnych.
Przykładowo, w czasie ostatniej powodzi w Polsce IMGW-PIB uczestniczył w eksperymentalnie zainaugurowanym projekcie systemu monitoringu satelitarnego prowadzonego przez Centrum Informacji Kryzysowej Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk (CIK CBK PAN) w kooperacji z polsko-fińską firmą sektora kosmicznego ICEYE. W ramach programu Instytut otrzymywał dane przestrzenne obrazujące zasięgi powodzi jako wynik interpretacji radarowych zdjęć powierzchni Ziemi z cywilnej konstelacji satelitów ICEYE o rozdzielczości przestrzennej ok 3 m. Obszary priorytetowe do obserwacji przez mikrosatelity ICEYE zostały w trybie operacyjnym wskazywane przez IMGW-PIB i docelowo obejmowały wszystkie tereny dotknięte powodzią w Polsce południowo-zachodniej. Otrzymywane zestawy zawierały dane z tzw. szybkiej analizy (co 6 h, finalnie nawet do godziny po obrazowaniu) oraz dane po dodatkowej weryfikacji (raz na dobę), prezentujące maksymalny zasięg wody powodziowej od początku zdarzenia wraz z informacją o głębokości wody zalewowej.
Pozyskane dane umożliwiały monitorowanie bieżącej sytuacji i ocenę skali zjawiska. Stanowią one również bezcenne źródło archiwalne zapisu powodzi historycznej. Dane te będą testowane pod kątem ich przydatności do weryfikacji i rekalibracji modeli hydrologicznych, stanowiących podstawę prognozowania. Sprawdzana będzie też ich użyteczność w monitorowaniu napełniania się wodą polderów, awarii wałów przeciwpowodziowych czy też występowania podtopień na obszarach chronionych wałami.
Mimo dużej (większej niż w przypadku danych otwartych z programu Copernicus) rozdzielczości czasowej i przestrzennej satelitów ICEYE, już teraz zauważalne są ich ograniczenia. Dla działań operacyjnych (bieżących) pożądane byłyby dane z jeszcze mniejszym krokiem czasowym. Widać również, że identyfikacja wody jest zależna od pokrycia terenu, przede wszystkim bardzo utrudniona w obszarach gęsto zabudowanych, co wymaga szczególnej uważności przy wnioskowaniu i wykorzystaniu tej wiedzy w kolejnych etapach analiz i decyzji.
Monitorowanie dynamicznych zjawisk, takich jak powódź, za pomocą technik satelitarnych jest szczególnie przydatne do szacowania obszarów dotkniętych zalaniem oraz oceny wpływu na infrastrukturę. Pożądane byłoby zwiększenie liczby dostępnych satelitów, aby mogły częściej przelatywać nad obszarami zainteresowania. Jednak jest to wyzwanie, głównie ze względu na wysokie koszty takich inwestycji. Równie istotne wydaje się rozbudowanie satelitarnych systemów altymetrycznych, które dostarczają informacji o głębokości wody w monitorowanych rzekach, choć ta technologia nadal ma swoje ograniczenia. Z tego względu, dane satelitarne powinny być obecnie traktowane jako komplementarne do tradycyjnych danych hydrologicznych zebranych in situ. Wykorzystanie obu źródeł pozwala na bardziej wszechstronne monitorowanie sytuacji powodziowej.
[i] W związku z tym Polska nie powinna wypowiadać tej części porozumienia Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego z ESA, co jest planowane od 2026 roku. Zerwanie umowy spowodowałoby utratę przez IMGW-PIB dostępu do systemu bezpośredniego odbioru danych i wydłużyło czas oczekiwania na dane SAR z Sentinel-1 o około 2 godziny, tym samym opóźniając dostarczanie informacji o obszarach dotkniętych powodzią dla działań operacyjnych i służb kryzysowych.
[ii] Po awarii satelity Sentinel-1B na orbicie pozostaje obecnie jedynie Sentinel-1A. Plany przewidują wystrzelenie nowego bliźniaczego satelity (Sentinel-1C) 3 grudnia 2024 roku. Jeżeli się to uda, czas rewizyty dla konstelacji Sentinel-1 skróci się do 6 dni.
