Toenemende groei van de wereldbevolking en de exploitatie van hulpbronnen creëren een enorme vraag naar civiele infrastructuur, inclusief gebouwen, metro's en treinlijnen, bruggen, dammen, snelwegen en luchthavens.

Gezien de druk, de techniek, bouw en onderhoud van dergelijke projecten wordt niet altijd goed beheerd, en zonder zorgvuldige controle, catastrofale mislukking is allesbehalve een abstracte mogelijkheid. De ingestorte brug van Genua in augustus 2018 waarbij 43 doden vielen, is maar een voorbeeld. Een andere is de instorting van de Brumadinho-dam op 25 januari in Brazilië, wat leidde tot minstens 237 doden.

Verborgen risico's

Met het groeiende bewustzijn van het belang van openbare veiligheid en duurzaamheid van de infrastructuur, de nadruk moet niet alleen liggen op het efficiënte gebruik van hulpbronnen, maar ook op het juiste beheer van de gebouwde infrastructuur om ervoor te zorgen dat deze veilig blijft gedurende de ontworpen levensduur.

Het verkrijgen van vroegtijdige waarschuwing voor mogelijke rampen is zeer complex, vooral vanwege de zeer grote verscheidenheid aan risico's. Hoewel er geen formele conclusie is over de oorzaak van de instorting van de Genua-brug, maar het werd ondersteund door staalkabels ingepakt in beton, en slechts twee decennia na de bouw, scheuren en corrosie waren duidelijk zichtbaar. Reparatiewerkzaamheden stonden gepland voor later dit jaar, maar de brug stortte in voordat het kon beginnen. In het geval van de ramp in Brazilië, de structuur was een "stroomopwaartse residudam", een muur van vuil en slib die een reservoir van halfvast mijnafval tegenhield. Zonder harde structuur, de Braziliaanse dam was inherent onstabiel en had constant moeten worden gecontroleerd, zelfs over extreem grote gebieden, er kunnen vroege waarschuwingssignalen zijn, zoals subtiele grondvervorming.

Gezien de grote verscheidenheid aan infrastructuurprojecten, het scala aan risicofactoren is immens. Om ze beter te kunnen monitoren, een interdisciplinaire aanpak is een must. Bestaande uitdagingen moeten worden aangepakt en toekomstige uitdagingen moeten worden voorbereid door te focussen op beoordeling, toezicht houden, het delen van informatie en het verminderen van risico's.

Ogen in de lucht

Een technologie die een aanzienlijk potentieel heeft, is op satellieten gebaseerde synthetische apertuurradarinterferometrie, bekend als InSAR. SAR-satellieten draaien in een zonsynchrone polaire baan, wat betekent dat de satelliet op dezelfde lokale gemiddelde zonnetijd over een bepaald punt van het aardoppervlak gaat. Het heeft de mogelijkheid om grootschalige bewegingen van het aardoppervlak gedurende lange tijdsperioden te volgen, een beter beeld geven voor het begrijpen van infrastructurele gezondheid.

Vergeleken met optische satellieten, SAR-satellieten hebben continue, bewakingsmogelijkheden voor alle weersomstandigheden. Ze zenden elektromagnetische golven uit met een golflengte van ongeveer een meter tot een millimeter, en ontvang terugverstrooide signalen - die weerkaatsing zijn van golven, deeltjes, of signalen terug naar de richting waaruit ze kwamen - nadat ze zijn weerkaatst door het aardoppervlak. Deze geven de reflectiviteit van gekozen doelen aan, evenals hun afstand tot de satelliet en elkaar.

De eerste civiele SAR-satelliet was SEASAT, gelanceerd in 1978 door NASA en het Jet Propulsion Laboratory. Met een beeldresolutie van 25 meter, SEASAT revolutionair in die tijd, en de satellieten van vandaag hebben een ruimtelijke resolutie tot één meter, en bezoek dezelfde plek opnieuw over een periode van slechts een paar dagen. Voorbeelden zijn de TerraSAR-X, COSMO-SkyMed, en Sentinel-1, gelanceerd door Duitsland, Italië en de Europese Unie, respectievelijk.

InSAR kan de topografie van elk deel van het aardoppervlak vastleggen, stedelijk of landelijk, en door de vergelijking van twee afbeeldingen de oppervlaktevervorming tussen twee observatietijden te meten. Het eerste wereldwijde digitale hoogtemodel - gemaakt met gegevens van de Shuttle Radar Topography Mission - werd in 2000 gegenereerd met behulp van InSAR-technologieën.

Door topografische bijdrage te verwijderen, het is mogelijk om subtiele vervormingsinformatie te extraheren, zoals bodemdaling, infrastructurele bewegingen en zelfs wat in feite slow-motion aardverschuivingen zijn.

De belangrijkste bron van mogelijke meetfouten is "atmosferische vertraging", die signalen kunnen vertragen of verschuiven en de vastgelegde gegevens kunnen vervormen. Echter, de meest geavanceerde multitemporele InSAR kan atmosferische vertraging verminderen met behulp van multi-baseline beelden en kan landschapsvervorming tot op millimeterniveau meten.

Scannen op "stedelijke ziekten"

Met de versnellende verstedelijking, infrastructuren worden uitgebreid ontwikkeld, vooral degenen die gedeeltelijk of volledig ondergronds zijn, zoals metro's. Abnormale vervorming van de infrastructuur wordt een verborgen 'stedelijke ziekte' genoemd die beter in de gaten moet worden gehouden door onderzoekers, autoriteiten, politici en het publiek.

Net zoals CT-scans worden gebruikt om de gezondheidstoestand van een patiënt onder de oppervlakte te onderzoeken, InSAR biedt een manier om de dynamiek van de infrastructuur te bewaken en een 'gezondheidsdiagnose' op te stellen. Afbeeldingen kunnen worden gebruikt om risicogevoelige gebieden te markeren, en als ongebruikelijke oppervlaktebewegingen worden gedetecteerd, verder onderzoek kan worden gedaan. Bijvoorbeeld, als bodemdaling wordt geconstateerd naast een metrolijn, er zal verder onderzoek worden gedaan naar individuele gebouwen om te zien of ze ook worden getroffen. Dit hiërarchische systeem maakt niet alleen een regelmatige algemene controle op regionaal of zelfs nationaal niveau mogelijk, maar indien nodig ook verder gedetailleerd onderzoek van individuele structuren.

In praktijk, twee primaire uitdagingen blijven. Eerst, het aantal satellieten is beperkt en de eisen hoog, het beperken van de mogelijkheid om tijdig te verwerven, hoge resolutie afbeeldingen. Verwacht wordt dat de lancering van meer satellieten deze uitdaging zal overwinnen. Tweede, plotselinge veranderingen kunnen op elk moment plaatsvinden - projecten voor het opnieuw opduiken van oppervlakken en sinkholes zijn slechts twee voorbeelden. Geavanceerde algoritmen en verwerkingsketens zijn nodig om hier beter rekening mee te kunnen houden.

Beslissingsondersteunende systemen

InSAR-satellieten bieden dus een krachtige manier om de gezondheid van bestaande infrastructuur te beoordelen, zelfs dat niet zichtbaar vanuit de ruimte. De verzamelde vervormingsinformatie kan worden gecombineerd met vakkennis uit andere domeinen, inclusief geotechniek en bouwtechniek, hydrologie, geologie en meteorologie. Samen, ze kunnen ons begrip van infrastructurele dynamiek vergroten en ons vermogen om beter te diagnosticeren verbeteren, beheren en onderhouden.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.