Original paper
Transformation processes in lignite post-mining landscape - erosion of anthropogenic formations in the former “Przyjazn Narodow – Szyb Babina” mine (Poland)
Blachowski, Jan; Becker, Miłosz; Kujawa, Paulina; Koźma, Jacek; Warchala, Ewa; Dynowski, Aleksandra; Pawlik, Marcin; Wajs, Jarosław; Buczyńska, Anna
Zeitschrift der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften Band 173 Heft 4 (2023), p. 565 - 580
64 references
published: Mar 15, 2023
published online: Oct 24, 2022
manuscript accepted: Sep 22, 2022
final revised version received: Sep 21, 2022
manuscript revision requested: Jun 17, 2022
manuscript received: Mar 29, 2022
ArtNo. ESP171017304004, Price: 29.00 €
Abstract
Mining of minerals impacts all components of the ecosystem and the post-mining environment should be continuously monitored to control the quality and efficiency of reclamation procedures. In the past post-mining areas often did not undergo the full process of reclamation and were left unmonitored. This study was aimed at analysis of surface (gully) erosion in an abandoned lignite post-mining area located in the present cross border German-Polish Geopark Muskau Arch. For this purpose, low-cost unmanned aerial vehicle (UAV) photogrammetry to acquire data describing the surface condition of partly rehabilitated dump sites and subsequently a digital elevation model (DEM) of difference (DoD) approach to analyse quantitatively elevation change were applied. The results based on processing of data from four UAV missions carried out between Spring 2020 and Autumn 2021 (18 months) allowed to determine the elevation models with high accuracy (±0.02 – ±0.04 m) and develop differential elevation models for the estimation of material movement and surface change in three selected gullies. All of the study sites were subjected to surface erosion probably due to the effect of rainfall that caused natural landscaping of the area. The greatest observed elevation changes connected with loss of material in research cross-sections reached 0.9 m. The UAV based data calculation of the DEM of difference has proved a time efficient and accurate method for analysis of elevation change in post-mining areas subjected to surface erosion. For the best results it is recommended to plan the UAV flight missions when the sun is at its highest or in cloudy weather to minimise the effect of sun-shading on the quality of the generated DEMs. A further study to correlate material movement with precipitation records is planned.
Kurzfassung
Der Abbau von Mineralien wirkt sich auf alle Komponenten des Ökosystems aus, und die Umwelt nach dem Bergbau sollte kontinuierlich überwacht werden, um die Qualität und Effizienz der Rekultivierungsverfahren zu kontrollieren. In der Vergangenheit wurden die Nachbergbaugebiete oft nicht vollständig rekultiviert und nicht überwacht. Ziel der Studie war die Analyse der Oberflächenerosion (Grabenerosion) in einem stillgelegten nachbergbaulichen Braunkohlegebiet im heutigen grenzüberschreitenden deutsch-polnischen Geopark Muskauer Faltenbogen. Zu diesem Zweck wurde kostengünstige UAV-Photogrammetrie zur Erfassung der Oberflächenbeschaffenheit teilweise sanierter Haldenflächen und anschließend ein Digitales Höhenmodell (DHM) Differenzverfahren zur quantitativen Analyse von Höhenveränderungen eingesetzt. Die Ergebnisse der Auswertung von Daten aus vier UAV-Missionen, die zwischen Frühjahr 2020 und Herbst 2021 (18 Monate) durchgeführt wurden, ermöglichten die Bestimmung von Höhenmodellen mit hoher Genauigkeit (±0,02 – ±0,04 m) und die Entwicklung von differenziellen Höhenmodellen zur Abschätzung von Materialbewegungen und Oberflächenveränderungen in drei ausgewählten Schluchten. Alle untersuchten Standorte sind einer Oberflächenerosion ausgesetzt, die wahrscheinlich auf die Auswirkungen von Regenfällen zurückzuführen ist, die eine natürliche Landschaftsgestaltung des Gebiets bewirken. Die größten registrierten Höhenänderungen in Verbindung mit Materialverlusten in den Untersuchungsquerschnitten erreichen 0,9 m. Die UAV-gestützte Datenberechnung des Differenz-DEM hat sich als zeiteffiziente und genaue Methode zur Analyse von Höhenänderungen in Nachbergbaugebieten erwiesen, die für Oberflächenerosion anfällig sind. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, wird empfohlen, UAV-Missionen zu planen, wenn die Sonne am höchsten steht und an bewölkten Tagen, um die Auswirkungen des Sonnenschattens auf die Qualität der erzeugten DHMs zu minimieren. Weitere Studien sind geplant, um Materialbewegungen mit Niederschlagsaufzeichnungen in Beziehung zu setzen.
Abstract
Wydobycie kopalin wpływa na wszystkie elementy ekosystemu, a środowisko pogórnicze powinno być stale monitorowane w celu kontroli jakości i skuteczności procedur rekultywacyjnych. W przeszłości tereny pogórnicze często nie przechodziły pełnego procesu rekultywacji i nie były monitorowane. Celem niniejszej pracy była analiza erozji powierzchniowej (rynnowej) w pogórniczym obszarze węgla brunatnego na terenie obecnego transgranicznego niemiecko-polskiego Geoparku Łuk Mużakowa. Do pozyskania danych opisujących stan powierzchni częściowo zrekultywowanych hałd pogórniczych wykorzystano fotogrametrię BSP (bezzałogowego statku powietrznego) niskiego pułapu, a do ilościowej analizy zmian wysokości zastosowano podejście różnicowych numerycznych modeli terenu NMT. Wyniki oparte na przetwarzaniu danych z czterech misji BSP przeprowadzonych w okresie od wiosny 2020 r. do jesieni 2021 r. (18 miesięcy) pozwoliły na wyznaczenie modeli wysokościowych z dużą dokładnością (±0,02 – ±0,04 m) oraz opracowanie różnicowych modeli wysokościowych do oceny zmian powierzchni w trzech wybranych rynnach erozyjnych. Wszystkie badane obszary poddane były działaniu erozji powierzchniowej prawdopodobnie na skutek opadów deszczu. Procesy te powodują naturalne kształtowanie się rzeźby terenu. Największe zarejestrowane zmiany wysokościowezwiązane z utratą materiału w przekrojach badawczych sięgają 0,9 m. Różnicowe NMT obliczone na podstawie danych z UAV okazało się efektywną czasowo i dokładną metodą analizy zmian wysokości w obszarach pogórniczych poddanych erozji powierzchniowej. W celu uzyskania najlepszych wyników zaleca się planowanie misji BSP kiedy słońce jest najwyżej oraz w dni pochmurne, aby zminimalizować wpływ zacienienia na jakość generowanych NMT. Planowane są dalsze badania mające na celu zbadanie zależności pomiędzy transportem materiału a wielkością opadów atmosferycznych.
Keywords
post-mining • lignite • waste dump • geomonitoring • UAV photogrammetry • DEM • erosion • change detection • Nachbergbau • Braunkohle • Halde • Geomonitoring • UAV-Photogrammetrie • DHM • Erosion • Veränderungserkennung • obszar pogórniczy • węgiel brunatny • hałda • geomonitoring • fotogrametria BSP • NMT • erozja • wykrywanie zmian