Ökande global befolkningstillväxt och resursexploatering skapar en enorm efterfrågan på civil infrastruktur, inklusive byggnader, tunnelbanor och tåglinjer, broar, dammar, motorvägar och flygplatser.

Med tanke på trycket, ingenjören, konstruktion och underhåll av sådana projekt är inte alltid välskött, och utan noggrann övervakning, katastrofala misslyckanden är allt annat än en abstrakt möjlighet. Genuabrons kollaps i augusti 2018, som lämnade 43 döda, är bara ett exempel. En annan är Brumadinho-dammens kollaps den 25 januari i Brasilien, vilket ledde till minst 237 dödsfall.

Dolda risker

Med den växande medvetenheten om vikten av allmän säkerhet och hållbar infrastruktur, tonvikten måste ligga på inte bara effektiv användning av resurser utan också korrekt förvaltning av byggd infrastruktur för att säkerställa att den förblir säker under hela sin designade livslängd.

Att få tidig varning om potentiella katastrofer är mycket komplicerat, främst på grund av den extremt stora variationen av risker. Även om det inte har funnits en formell slutsats om orsaken till Genuabrons kollaps, men den stöddes av stålkablar inkapslade i betong, och bara två decennier efter dess konstruktion, sprickor och korrosion var tydligt synliga. Reparationsarbete var planerat till senare i år, men bron rasade innan den kunde starta. I fallet med Brasilien-katastrofen, strukturen var en "uppströms avfallsdamm", en vägg av smuts och slam som höll tillbaka en reservoar av halvfast gruvavfall. Utan hård struktur, Brasiliendammen var till sin natur instabil och borde ha övervakats ständigt – även över extremt stora områden, det kan finnas tidiga varningstecken som subtil markdeformation.

Med tanke på det stora utbudet av infrastrukturprojekt, utbudet av riskfaktorer är enormt. För att bättre övervaka dem, ett tvärvetenskapligt förhållningssätt är ett måste. Befintliga utmaningar måste lösas och framtida förberedas för genom att fokusera på bedömning, övervakning, informationsdelning och riskminskning.

Ögon i himlen

En teknik som har stor potential är satellitbaserad radarinterferometri med syntetisk apertur, känd som InSAR. SAR-satelliter kretsar i en solsynkron polär bana, vilket betyder att satelliten passerar över en given punkt på jordens yta vid samma lokala medelsoltid. Den har förmågan att övervaka storskaliga rörelser av jordens yta under långa tidsperioder, ger en bättre bild för att förstå infrastrukturell hälsa.

Jämfört med optiska satelliter, SAR-satelliter har kontinuerliga, övervakning av alla väder. De sänder ut elektromagnetiska vågor med våglängder som sträcker sig från cirka en meter till en millimeter, och ta emot tillbakaspridda signaler – som är reflektion av vågor, partiklar, eller signalerar tillbaka till den riktning som de kom från – efter att de reflekterats av jordens yta. Dessa indikerar reflektionsförmågan hos valda mål samt deras avstånd från satelliten och varandra.

Den första civila SAR-satelliten var SEASAT, lanserades 1978 av NASA och Jet Propulsion Laboratory. Med en bildupplösning på 25 meter, SEASAT revolutionerande på den tiden, och dagens satelliter har rumslig upplösning ner till en meter, och återbesök samma plats under tidsperioder så korta som några dagar. Exempel inkluderar TerraSAR-X, COSMO-SkyMed, och Sentinel-1, lanserad av Tyskland, Italien och Europeiska unionen, respektive.

InSAR kan fånga topografin på vilken del av jordens yta som helst, stad eller landsbygd, och genom jämförelse av två bilder mäta ytdeformationen mellan två observationstider. Den första globala digitala höjdmodellen – skapad med data från Shuttle Radar Topography Mission – genererades år 2000 med hjälp av InSAR-teknik.

Genom att ta bort topografiskt bidrag, det är möjligt att extrahera subtil deformationsinformation, som sättningar, infrastrukturella rörelser och till och med vad som i själva verket är långsamma jordskred.

Den huvudsakliga källan till potentiella mätfel är "atmosfärisk fördröjning", som kan bromsa eller förskjuta signaler och förvränga insamlade data. Dock, den mest avancerade multi-temporala InSAR kan mildra atmosfärisk fördröjning med hjälp av multi-baseline bilder och kan mäta landskapsdeformation ner till millimeternivå.

Söker efter "stadssjukdomar"

Med accelererande urbanisering, infrastruktur utvecklas omfattande, särskilt de som är helt eller delvis underjordiska, såsom tunnelbanor. Onormal deformation av infrastruktur har kallats en dold "stadssjukdom" som måste övervakas mer noggrant av forskare, myndigheterna, politiker och allmänhet.

Precis som CT-skanningar används för att undersöka tillståndet för en patients hälsa under ytan, InSAR erbjuder ett sätt att övervaka infrastrukturens dynamik och bygga en "hälsodiagnos." Bilder kan användas för att markera riskbenägna områden, och om ovanliga ytrörelser upptäcks, ytterligare undersökningar kan göras. Till exempel, om landsättningar upptäcks i anslutning till en tunnelbanelinje, ytterligare utredning kommer att göras för enskilda byggnader för att se om de också påverkas. Detta hierarkiska system underlättar inte bara regelbunden övergripande övervakning på regional eller till och med nationell nivå utan även ytterligare detaljerade undersökningar av enskilda strukturer vid behov.

I praktiken, två primära utmaningar kvarstår. Först, antalet satelliter är begränsat och kraven höga, begränsar möjligheten att förvärva i tid, högupplösta bilder. Uppskjutningen av fler satelliter förväntas övervinna denna utmaning. Andra, plötsliga förändringar kan inträffa när som helst – projekt för ny ytbehandling och sjunkhål är bara två exempel. Det krävs avancerade algoritmer och bearbetningskedjor för att bättre kunna ta hänsyn till dessa.

Beslutsstödssystem

InSAR-satelliter ger således ett kraftfullt sätt att bedöma hälsan hos befintlig infrastruktur, även det som inte syns från rymden. Den deformationsinformation som samlas in kan kombineras med expertkunskap från andra domäner, inklusive geoteknik och konstruktionsteknik, hydrologi, geologi och meteorologi. Tillsammans, de kan förbättra vår förståelse för infrastrukturens dynamik och förbättra vår förmåga att bättre diagnostisera, hantera och underhålla dem.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.