Praca przedstawia możliwości wykorzystania satelitarnych obrazów radarowych Sentinel‑1 do rozpoznawania zjawisk lodowych na Jeziorze Zegrzyńskim. Jezioro Zegrzyńskie jest sztucznym zbiornikiem, który powstał w wyniku przegrodzenia stopniem wodnym Narwi. Jest to zbiornik wykorzystywany dla celów energetyki wodnej, a także zaopatrzenia w wodę Warszawy. Najwyższy poziom piętrzenia Narwi przez stopień Dębe wynosi 7,10 m, przeciętnie piętrzenie to około 6,8 m. Cofka Jeziora Zegrzyńskiego sięga na Narwi w rejon Pułtuska – km 63,3, a na Bugu do miejscowości Popowo – km 17,0. Jezioro ma objętość 89,9 hm 3, powierzchnię 33 km 2 , długość około 40 km, przy średniej głębokości 2,86 m oraz długość brzegów 219 km. Dorzecze zamknięte stopniem w Dębe ma powierzchnię 69,7 tys. km 2. Średni wieloletni przepływ z 1951–2010 wynosi w profilu Narew/Zambski Kościelne 139 m3 ·s‑1 oraz Bug/Wyszków 162 m3 ·s‑1 . Czas wymiany wody w zbiorniku jest krótki i wynosi 3–4 dni. Na podstawie danych z lat 1961–1990 ustalono że wielkość transportu rumowiska unoszonego w profilu Wyszków na Bugu zawiera się w granicach 153.000–24.500 Mg·rok‑1 , a dla Narwi w profilu Ostrołęka wielkość transportu zawiesiny jest znacznie mniejsza wynosi bowiem 31.300 Mg·rok‑1 . Wskaźnik denudacji obliczony na podstawie danych z lat 1951–1990 w przypadku Narwi profil Ostrołęka wynosi on 1,4 Mg·rok‑1 ·km 2, dla Bugu w profilu Wyszków sięga on 3,2 Mg·rok‑1 ·km 2. Przedstawiono warunki hydrauliczne w Jeziorze Zegrzyńskim, których rozpoznanie było możliwe dzięki zastosowaniu modelu dwuwymiarowego CCHE2D. Wynik modelowania hydrodynamicznego pokazuje także, że Bug wprowadza ładunek zawiesiny, która wpływa do dużego ploso i dopiero tam ulega sedymentacji oraz rozcieńczeniu. Woda z Narwi i Bugu w miejscu połączenia rzek nie ulega mieszaniu, obydwa strumienie płyną równolegle, dopiero w dużym ploso występują warunki do mieszania się wód w wyniku oddziaływania wiatru i falowania. Taki układ linii prądu w ujściu Bugu do Narwi i w czaszy zbiornika potwierdziły obrazy hiperspektralne wykonane za pomocą lotniczych skanerów AISA i HySpex. Układ równoległych strumieni wody z Narwi i Bugu, które nie mieszają się ze sobą przed plosem małym i dużym, jest często obserwowany na obrazach multispektralnych misji Sentinel‑2, na przykład obraz z dnia 31 VIII 2017 r. Na procesy transportu osadów i mieszania się wód Narwi i Bugu oddziałuje także pole wiatru, które deformuje linie prądu zwłaszcza w części jeziornej zbiornika. Za pomocą dwuwymiarowego modelu hydrodynamicznego CCHE2D wykonano symulacje oddziaływania wiatru na linie prądu w warunkach przepływu średniego. Przyjęto cztery główne kierunku wiatru N, S, W, E i prędkość wiatru 1 m·s‑1 . W warunkach oddziaływania wiatru z kierunków S, W, E w dużym i małym ploso tworzy się zamknięty układ cyrkulacji. Jest to zjawisko istotne w przypadku transportu osadów, a także napływu lodu w formie śryżu oraz zaniku pokrywy lodowej i spływu kry. Zachowany zostaje jednak główny strumień przepływu w dawnym korycie Narwi. W przypadku wiatru z kierunku N główny strumień przepływu zostaje przesuniemy w stronę południowego brzegu zbiornika, nawiązując do ukształtowania brzegów w ploso małym i dużym. Omówiono definicje i przebieg formowania się zjawisk lodowych na rzekach i na jeziorach w warunkach Polski. Wykorzystano obserwacje terenowe do opisu poszczególnych form zlodzenia. Nowym rodzajem danych teledetekcyjnych są satelitarne obrazy SAR rejestrowane z pokładu satelity Sentinel‑1. Dla celów obrazowania zjawisk lodowych na Jeziorze Zegrzyńskim wykorzystano produkty GRDH i SLC i ich przekształcenia do poziomu kompozycji barwnej. Na zobrazowaniach SAR Sentinel‑1 z zimy 2018 r. dokonano wydzielenia następujących klas zjawisk lodowych: rzeka wolna od lodu, lód brzegowy, śryż, pokrywa lodowa, spiętrzona pokrywa lodowa ze śryżu. Porównano wartości odbicia wstecznego dla tych klas w produktach GRDH i SLC. No przykładzie zlodzenia Bugu przedstawiono możliwość wykorzystania obrazów z produktu GRDH do tworzenia raportów lodowych i wykrywania oddziaływania zatoru na stany wody. W przypadku zobrazowań Sentinel‑1 większą przydatnością okazały się produkty GRDH. Ich zaletą jest łatwość przetwarzania i mniejsze objętości plików danych. Używając kompozycji RGB można w krótkim czasie przeanalizować ogólną sytuację lodową na dużym odcinku rzeki lub zbiornika. Nieco gorszą przydatnością okazały się produkty SLC, które mimo większej rozdzielczości przestrzennej i zawartej informacji, w procesie wstępnego przetwarzania traciły swoją czytelność. Powodem pogorszenia się jakości obrazu była obecność szumu cętkowatego oraz spadek czytelności po zastosowaniu filtrów cyfrowych.
IDENTIFICATION OF ICE PHENOMENA ON ZEGRZE RESERVOIR WITH THE USE OF RADAR SATELLITE IMAGES
Abstract
In the study it was examined possibility of using satellite radar images from Sentinel‑1 mission in detecting and recognition of ice phenomena at Zegrze Reservoir. Zegrze Reservoir was created by damming Narew river. It is used for electric energy production and water supply of Warsaw. Maximum head at the dam in Dębe is 7.10 m, on average it is about 6.8 m. Back water of the Zegrze reservoir reach Pultusk town Narew river – km 63.3, and on Bug river to Popowo village – km 17.0. Reservoir has a volume of 89.9 hm 3, area 33 km2, length about 40 km, average depth 2.86 m, coast line is 219 km long. Zegrze reservoir is supplied by tree rivers Bug, Narew, Rządza and Żerań Canal. Catchment area closed by the Dębe dam is 69.7 thousand km2. Long term (years 1951–2010) average discharge of Narew river at Zambski Kościelne gauge is 139 m3·s ‑1, and of Bug river at Wyszków gauge is 162 m3·s ‑1. Recervoir retention time is short equal 3–4 days. Data from years 1961–1990 of suspended sediment measurements have shown that Bug river in Wyszków gauge suspended sediment transport is in the range 153,000–24,500 Mg·year‑1 , while at Narew river – Ostrołęka gauge is much smaller – 31,300 Mg·year‑1. Denudation rate calculated for the period of years 1951–1990 at Narew river – gauge Ostrołeka is 1.4 Mg·year‑1·km 2, and at Bug river – Wyszków gauge is 3.2 Mg·year‑1·km 2. To understand the reservoir hydrology it had been used a two‑dimensional hydrodynamic model CCHE2D. Results of hydrodynamic modeling shows that Bug river carry a high concentration flux of suspended sediment which enters main part of the reservoir and then is a subject of sedimentation and dilution. Water from Narew river at the confluence with Bug river do not mix and currents of both rivers flow parallel only in lacustrine part of the reservoir there are good conditions for mixing under the influence of waves and wind drift. This pattern of current was confirmed by hiperspectral images recorded with the use of AISA i HySpex aerial scanners. Pattern of parallel streams of Narew and Bug rivers which do not mix with each other is often observed at multispectral images, for example Sentinel‑2 image recorded on 31 VIII 2017. Transport of sediments and mixing of water from Narew and Bug rivers is influenced by the wind field which disturbs flow lines especially in lacustrine part of the reservoir. In the hydrodynamic model CCHE2D it was simulated an influence of wind field of cardinal directions N, S, W, E and force 1 m·s‑1 . In case of wind direction S, W, E in both lacustrine basins it can form circulation. This circulation pattern is important in case of sediment transport and frazile ice flow as well as in the phase of ice break‑up. Still the main current in the old Narew river thalweg is maintained. In case of N wind the main current is shifted woward southern coast of the reservoir and shaped by the geometry of small and large lacustrine basins. Ice phenomena definitions and run on inland waters of Poland was presented. Field examples were used in description of different ice forms. New source of remote sensing data are satellite SAR Sentinel‑1 images. GRDH and SLC products were converted to color composite. On the images from Winter of 2018 following ice classes were identified: free water, shore ice, frazil ice, ice cover, consolidated ice. Back scatter values were compared for these classes using images of GRDH and SLC products. On the example of Bug river it was tested use of GRDH product images for creation of ice reports and use of the information on ice jam location on hydrological measurements of water stages. In case of Sentinel‑1 images better information brings GRDH product. It has a lower memory volume and is easy in processing. In RGB composition it is possible in a short time obtain overview of ice cover on a long reach of the rivers and reservoir. SLC product has higher spatial resolution but due to the process of image processing with the use of speckle reduction filters the image was less clear.
