Eyes in the sky:Hvordan satellitter kan overvåge infrastrukturens sundhed

Stigende global befolkningstilvækst og ressourceudnyttelse skaber en enorm efterspørgsel efter civil infrastruktur, herunder bygninger, undergrundsbaner og toglinjer, broer, dæmninger, motorveje og lufthavne.

I betragtning af presset, ingeniørarbejdet, konstruktion og vedligeholdelse af sådanne projekter er ikke altid godt forvaltet, og uden omhyggelig overvågning, katastrofalt svigt er alt andet end en abstrakt mulighed. Genova-broens kollaps i august 2018, hvilket efterlod 43 døde, er blot ét eksempel. En anden er Brumadinho-dæmningens kollaps den 25. januar i Brasilien, hvilket førte til mindst 237 dødsfald.

Skjulte risici

Med den voksende bevidsthed om vigtigheden af ​​offentlig sikkerhed og bæredygtig infrastruktur, der skal lægges vægt på ikke kun effektiv brug af ressourcer, men også korrekt styring af bygget infrastruktur for at sikre, at den forbliver sikker i hele dens designede levetid.

Det er meget komplekst at få tidlig advarsel om potentielle katastrofer, hovedsageligt på grund af den ekstremt brede vifte af risici. Selvom der ikke har været en formel konklusion om årsagen til Genova-broens kollaps, men den blev understøttet af stålkabler indkapslet i beton, og kun to årtier efter dens konstruktion, revner og korrosion var tydeligt synlige. Reparationsarbejdet var planlagt til senere i år, men broen kollapsede før den kunne starte. I tilfældet med Brasilien-katastrofen, strukturen var en "opstrøms tailings-dæmning", en mur af snavs og silt, der holdt et reservoir af halvfast mineaffald tilbage. Uden hård struktur, Brasilien-dæmningen var i sagens natur ustabil og burde have været konstant overvåget - selv over ekstremt store områder, der kan være tidlige advarselstegn såsom subtil jorddeformation.

I betragtning af den brede vifte af infrastrukturprojekter, rækken af ​​risikofaktorer er enorm. For bedre at overvåge dem, en tværfaglig tilgang er et must. Eksisterende udfordringer skal tages op og fremtidige udfordringer forberedes ved at fokusere på vurdering, overvågning, informationsdeling og risikoreduktion.

Øjne i himlen

En teknologi, der har et betydeligt potentiale, er satellitbaseret syntetisk aperture radar interferometri, kendt som InSAR. SAR-satellitter kredser i en solsynkron polær bane, hvilket betyder, at satellitten passerer over et givet punkt på jordens overflade på samme lokale middelsoltid. Det har evnen til at overvåge store bevægelser af Jordens overflade over lange perioder, give et bedre billede til forståelse af infrastrukturel sundhed.

Sammenlignet med optiske satellitter, SAR-satellitter har kontinuerlige, overvågningsfunktioner i al slags vejr. De udsender elektromagnetiske bølger med bølgelængder fra omkring en meter til en millimeter, og modtage tilbagespredte signaler - som er reflektion af bølger, partikler, eller signalerer tilbage til den retning, hvorfra de kom - efter at de er reflekteret af Jordens overflade. Disse angiver reflektiviteten af ​​valgte mål samt deres afstand fra satellitten og hinanden.

Den første civile SAR-satellit var SEASAT, lanceret i 1978 af NASA og Jet Propulsion Laboratory. Med en billedopløsning på 25 meter, SEASAT revolutionerende på det tidspunkt, og nutidens satellitter har rumlig opløsning ned til en meter, og besøge det samme sted igen over perioder så korte som et par dage. Eksempler inkluderer TerraSAR-X, COSMO-SkyMed, og Sentinel-1, lanceret af Tyskland, Italien og Den Europæiske Union, henholdsvis.

InSAR kan fange topografien af ​​enhver del af jordens overflade, by eller land, og gennem sammenligning af to billeder måle overfladedeformationen mellem to observationstider. Den første verdensomspændende digitale højdemodel – skabt med data fra Shuttle Radar Topography Mission – blev genereret i 2000 ved hjælp af InSAR-teknologier.

Ved at fjerne topografisk bidrag, det er muligt at udtrække subtil deformationsinformation, såsom jordsynkning, infrastrukturelle bevægelser og endda hvad der i virkeligheden er slowmotion-skred.

Hovedkilden til potentielle målefejl er "atmosfærisk forsinkelse", som kan bremse eller forskyde signaler og forvrænge de registrerede data. Imidlertid, den mest avancerede multi-temporale InSAR kan afbøde atmosfærisk forsinkelse ved hjælp af multi-baseline billeder og kan måle landskabsdeformation ned til millimeterniveau.

Scanning for "bysygdomme"

Med accelererende urbanisering, infrastruktur er under omfattende udvikling, især dem, der er delvist eller helt under jorden, såsom undergrundsbaner. Unormal deformation af infrastruktur er blevet kaldt en skjult "bysygdom", der skal overvåges nærmere af forskere, myndigheder, politikere og offentligheden.

Ligesom CT-scanninger bruges til at undersøge tilstanden af ​​en patients helbred under overfladen, InSAR tilbyder en måde at overvåge infrastrukturens dynamik og opbygge en "sundhedsdiagnose." Billeder kan bruges til at fremhæve risikoudsatte områder, og hvis der registreres usædvanlige overfladebevægelser, yderligere undersøgelser kan foretages. For eksempel, hvis der konstateres jordsynk ved siden af ​​en metrolinje, Der vil blive foretaget yderligere undersøgelser for de enkelte bygninger for at se, om de også er berørt. Dette hierarkiske system letter ikke kun regelmæssig overordnet overvågning på regionalt eller endda nationalt niveau, men også yderligere detaljeret undersøgelse af individuelle strukturer efter behov.

I praksis, to primære udfordringer er tilbage. Først, antallet af satellitter er begrænset og kravene høje, begrænser muligheden for at erhverve rettidigt, billeder i høj opløsning. Opsendelsen af ​​flere satellitter forventes at overvinde denne udfordring. Sekund, pludselige ændringer kan opstå når som helst – projekter til genopbygning af overfladen og synkehuller er blot to eksempler. Der kræves avancerede algoritmer og behandlingskæder for bedre at kunne tage højde for disse.

Beslutningsstøttesystemer

InSAR-satellitter giver således en effektiv måde at vurdere sundheden for eksisterende infrastruktur, selv det, der ikke er synligt fra rummet. Den indsamlede deformationsinformation kan kombineres med ekspertviden fra andre domæner, herunder geoteknik og konstruktionsteknik, hydrologi, geologi og meteorologi. Sammen, de kan forbedre vores forståelse af infrastrukturel dynamik og forbedre vores evne til bedre at diagnosticere, administrere og vedligeholde dem.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.