AT527372A2 - Verfahren zur Ermittlung der relativen Vertikalverformung eines zu untersuchenden Objekts - Google Patents
Verfahren zur Ermittlung der relativen Vertikalverformung eines zu untersuchenden Objekts Download PDFInfo
- Publication number
- AT527372A2 AT527372A2 ATA50625/2023A AT506252023A AT527372A2 AT 527372 A2 AT527372 A2 AT 527372A2 AT 506252023 A AT506252023 A AT 506252023A AT 527372 A2 AT527372 A2 AT 527372A2
- Authority
- AT
- Austria
- Prior art keywords
- examined
- deformation
- points
- temperature
- los
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 81
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 49
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 43
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000002085 persistent effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 26
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 10
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 21
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 16
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 12
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 12
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 3
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 2
- PXFBZOLANLWPMH-UHFFFAOYSA-N 16-Epiaffinine Natural products C1C(C2=CC=CC=C2N2)=C2C(=O)CC2C(=CC)CN(C)C1C2CO PXFBZOLANLWPMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010000117 Abnormal behaviour Diseases 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 230000010339 dilation Effects 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000012625 in-situ measurement Methods 0.000 description 1
- YWXYYJSYQOXTPL-SLPGGIOYSA-N isosorbide mononitrate Chemical compound [O-][N+](=O)O[C@@H]1CO[C@@H]2[C@@H](O)CO[C@@H]21 YWXYYJSYQOXTPL-SLPGGIOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000000275 quality assurance Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 description 1
- 239000004432 silane-modified polyurethane Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000005654 stationary process Effects 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9021—SAR image post-processing techniques
- G01S13/9023—SAR image post-processing techniques combined with interferometric techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9021—SAR image post-processing techniques
- G01S13/9027—Pattern recognition for feature extraction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
- G01S13/89—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S13/90—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging using synthetic aperture techniques, e.g. synthetic aperture radar [SAR] techniques
- G01S13/9021—SAR image post-processing techniques
- G01S13/9029—SAR image post-processing techniques specially adapted for moving target detection within a single SAR image or within multiple SAR images taken at the same time
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
Verfahren zur Ermittlung der relativen Vertikalverformung ∆dup eines zu untersuchenden Objekts (Ob), insbesondere eines Bauwerks, vorzugweise einer Brücke, innerhalb einer Zeitspanne zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Aufnahmezeitpunkten (t1, t2) basierend auf von zumindest einem Flugobjekt gemessenen Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR-)Daten, - wobei sich das zumindest eine Flugobjekt auf einer Flugbahn in einer Flugrichtung wiederholt in zeitlichem Abstand über das zu untersuchende Objekt (Ob) bewegt und währenddessen entlang einer Blickrichtung (LOS) InSAR-Daten aufnimmt, - wobei basierend auf den aufgenommenen InSAR-Daten Interferogramme erstellt werden, und - wobei zumindest zwei Persistent Scatterer (PS-)Punkte (P1, P2) auf dem zu untersuchenden Objekt (Ob) als Pixel ermittelt werden, die über eine Folge von Interferogrammen kohärent bleiben, umfassend die folgenden Schritte: - Ermitteln der Veränderung der Phase in Blickrichtung (LOS) mit dem zugehörigen Einfallswinkel θi zwischen der Blickrichtung (LOS) und der Nadirrichtung (Nad) und dem zugehörigen Winkel αALD zwischen der auf eine horizontale Fläche projizierten Blickrichtung (LOS) und der geographischen Nordrichtung (N) für die zumindest zwei PS-Punkte auf dem zu untersuchenden Objekt (Ob) basierend auf zu zumindest zwei Aufnahmezeitpunkten (t1, t2) erstellten Interferogrammen, - Ableiten der differenziellen Verformungsänderung ∆dLOS des zu untersuchenden Objekts (Ob) in der Blickrichtung (LOS) des Flugobjekts zwischen den Aufnahmezeitpunkten (t1, t2) basierend auf der ermittelten Veränderung der Phase, insbesondere nach Korrektur von Fehlern bedingt durch Phasensprünge, - Durchführen einer Koordinatentransformation der differenziellen Verformungsänderung ∆dLOS in die Richtung des zu untersuchenden Objekts (Ob), wobei die horizontalen Bewegungskomponenten (∆dE, ∆dN) der differenziellen Verformungsänderung ∆dLOS auf die Längs- und die Querrichtung des zu untersuchenden Objekts (Ob) projiziert werden, insbesondere unter Heranziehung des Winkel αOb zwischen der auf eine horizontale Fläche projizierten Längsachse des Objekts und der geographischen Nordrichtung, - Ermittlung der Temperatur, insbesondere der Temperatur des zu untersuchenden Objekts (Ob), insbesondere als Schätzwert und/oder durch Messung, - Ermittlung der zwischen den Aufnahmezeitpunkten (t1, t2) aufgetretenen relativen Differenzverformung ∆dLong in Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts (Ob) zwischen den, den PS-Punkten entsprechenden, Betrachtungspunkten (P1, P2) auf dem zu untersuchenden Objekt (Ob) unter Berücksichtigung der ermittelten Temperatur, und - Berechnung der relativen Vertikalverformung ∆dup des zu untersuchenden Objekts (Ob) zwischen den Aufnahmezeitpunkten (t1, t2) unter Heranziehung der zuvor ermittelten relativen Differenzverformung ∆dLong in Längsrichtung und der differenziellen Verformungsänderung ∆dLOS.
Description
Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR-)Daten gemäß Patentanspruch 1.
Im Folgenden beziehen sich in eckigen Klammern [ ] angeführte Ziffern auf das Literaturverzeichnis am Ende der Beschreibung.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedenste Methoden zur Zustandserfassung von Bauwerken bekannt. Bis heute wird der Zustand von Brücken hauptsächlich periodisch durch Sichtprüfungen erfasst, wobei in Österreich die Vorgangsweise nach RVS 13.03.11 [1] erfolgt. Messtechnische Untersuchungen werden in der Regel als Ergänzung zur visuellen Inspektion durchgeführt. In besonderen Fällen „Sonderprüfungen“ werden Dauerüberwachungssysteme eingesetzt. Die dafür vorhandenen Ansätze lassen sich in
vier Gruppen zusammenfassen:
- Erkennung von abweichendem Verhalten - System- oder Schadenserkennung - Überwachung von Auswirkungen
- Schwellenwertüberwachung
Sensorbasierte Messmethoden erfassen die mechanische Strukturreaktion wie Verformung, Neigung, Dehnung usw. über die Zeit. Veränderungen im Verhalten dieser Reaktionen können als Ursache materialbedingte Gründe (z.B. Materialkriechen, Setzungen), Veränderung in der Belastung oder auch Änderungen des Steifigkeitsverhaltens haben (z.B. Steifigkeitsabnahme bei Schadensbildung). Ebenso können Änderung des statischen Systems (z.B. Auflagerabsenkung bei statisch unbestimmten Systemen) auftreten. Verlässliche Rückschlüsse können bei bekannten Eingangsgrößen (z.B. Erfassen der Belastung) gezogen werden, andernfalls müssen für Interpretation der Messdaten und Zustandserfassung die Reaktionen mit Prognosen aus Modellen gegenübergestellt werden.
Die gebräuchlichste Prüfung zur Messung der Verformung ist die Tachymetrische Vermessung (Theodoliten/ Totalstation) oder Nivellement z.B. Brückennivellete. Dabei wird die strukturelle Reaktion des untersuchten Bauwerks auf konstante Lasten (Eigenlasten) oder Änderungen der Durchbiegung, die z. B. durch einen Auslöser wie Materialverhalten,
montierten Prismen und vollautomatischen Totalstationen.
Messungen anderer mechanischer Größen wie Neigung, Dehnung und Rissbreite wurden anfangs hauptsächlich bei Probebelastungen (Neubau vor Eröffnung oder bei Sonderprüfungen) mit bekannten Lasten [3, 4] vorgenommen und werden derzeit auch mittels Rissspionen oder im Anlassfall für Sonderprüfungen für die Dauerüberwachung verwendet. Anforderungen an die Messtechnik zur Dauerüberwachung werden für die geotechnische Anwendung derzeit europaweit genormt [7]. In der gerade in Ausarbeitung befindlichen EN_ISO 18674-1 [8] werden beispielsweise Möglichkeiten zur Verschiebung von Messpunkten einschließlich Sonderfällen wie vertikale Verschiebungskomponente (=Setzung oder Hebung) und abgeleitete Parameter, z.B. Kippung und Dehnung aufgezählt. Diese sind: Totalstation (Tachymeter), Nivellierinstrument, elektronisches Entfernungsmessgerät, Laserscanner, GNSS (Differential-GPS), Radar-Interferometrie (Interferenzmessverfahren mit Radar) (InSar, terrestrisch oder satellitengestützt).
Die ständige Beobachtung des Verformungszustands der Bauwerke ist ein potenziell vielversprechender Indikator, aber für eine ständige Überwachung nicht einfach durchzuführen. Es wurden Methoden entwickelt, die versuchen, die Verformung aus Messungen von Neigungssensoren [5] oder aus Beschleunigungssensoren [6] zu bestimmen. Das gebräuchlichste permanente System für vertikale Verschiebungen ist eine flexible digitale Schlauchwage. Es misst direkt die Verformungsdifferenzen und nutzt das Prinzip einer hydrostatischen Setzungsmessung durch an den Bauwerken angebrachte Sensoren. Dabei wird die vertikale Setzung der Sensoren im Verhältnis zu einem Referenzsensor bestimmt. Die Methode eignet sich für die kontinuierliche Überwachung von geotechnischen oder Verformungsproblemen, erfordert jedoch eine ständige Wartung der Sensoren (z. B. Wechsel der Flüssigkeiten...) sowie verbundene Rohre zwischen den Sensoren und sensorbedingte Temperaturkompensation (thermische Expansion der Messflüssigkeit).
thermischen Versuchen untermauert.
Bauwerksbezogene Temperaturkompensation: Um verlässliche Aussagen für die Tragsicherheit ableiten zu können, sind hohe
Verformungsgenauigkeiten (in der Regel mind. mm-Bereich) notwendig. Um abnormales Strukturverhalten zu erkennen, muss die Temperaturverformung der Struktur kompensiert werden. Aufgrund der Größe der Strukturen und der unterschiedlichen Materialien und Komponenten variiert die Temperatur vor Ort auf der Struktur und bei größeren Bauwerken auch entlang des Objekts (Temperaturfelder resultierend aus Verschattung, Flussquerungen, Talübergänge unterschiedliche Materialien oder Bauteildicken eto...). Instationäre thermische Effekte der betrachteten Materialien bzw. Konstruktionen müssen berücksichtigt werden oder die direkte Bauwerkstemperatur gemessen werden, um Temperaturkompensationsmodelle für eine sensorgestützte Beobachtung bestmöglich zu erstellen [10].
Weiters sind Methoden des satellitengestützten _Monitorings (Persistant Scatterer Interferometry) bekannt. Wie schon zuvor erwähnt, ist die Methode der satellitengestützten Radar-Interferometrie nach neuesten Ansätzen gut dafür geeignet, die langfristige Überwachung der Zustände von Objekten, im Speziellen Bauwerken und Brücken, umzusetzen. Im Folgenden wird ein Überblick über bisherige Lösungsansätze dazu gegeben.
Im Folgenden zeigen schematisch:
Fig. 1 eine Darstellung des Grundprinzips der satellitengestützten Radarinterferometrie, Fig. 2 eine Darstellung der Methode der Persistent Scatterer Interferometrie PSI,
Fig. 3 eine Darstellung der Koordinatentransformation nach [30],
Fig. 4 eine Darstellung der Bildaufnahmen und Winkel und Lagebezeichnung bei Blickrichtung Ost-West nach [31],
Fig. 5 eine Darstellung der Koordinatentransformation von Bodenbewegungsrichtungen bei
Verwendung von Messdaten von zwei verschiedenen Orbitalrichtungen.
Das Grundprinzip der Methode der satellitengestützten Radarinterferometrie ist in Fig. 1 und Fig. 2 ersichtlich.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Methode der Persistent Scatterer Interferometrie PSI. Es werden mehrere Aufnahmen (=Szenen Sz oder SAR Bilder) ausgewertet. Fokus sind diejenigen Pixel, die über mehrere Aufnahmen hinweg kohärent bleiben, und somit als konstante Reflexion über eine Serie von Aufnahmebildern (in der Regel mindestens 20 Szenen Sz) als persistente Scatterer (PS) fungieren. Diese kohärenten Rückstrahler werden als Bezugsgröße verwendet und die DifferenzVerschiebungen ausgewertet.
Die ESA [16] verwendet beispielsweise Forschungssatelliten — Sentinel 1 — welche in einer Flugbahnhöhe von 693 km über der Erdoberfläche kreisen. Die Sentinel-1-Satelliten 1A und 1B überfliegen die Erde auf einer synchronen (ungefähren) polaren Umlaufbahn, welche gegenüber der Erdachse leicht geneigt ist (Neigung 98,18°) [16]. Die Punkte auf der Erdoberfläche werden in zwei Orbitalrichtungen überflogen, einmal von Süden nach Norden (ansteigende Umlaufbahn ASCENDING ASC) und einmal von Norden nach Süden (absteigende Umlaufbahn DESCENDING DSC). Die Sentinel-1-Satelliten 1A und 1B überfliegen die Erde auf einer synchronen (ungefähr) polaren Umlaufbahn. Wobei die Aufnahmen auf der Erde in einer schrägen Blickrichtung- rechtsschauend mit einer Wiederkehrzeit von 6 Tagen im gleichen Orbit. Seit Dezember 2021 ist der Satellit 1B aufgrund eines Sonnensturmes ausgefallen. Damit reduzierte sich die Anzahl der Aufnahmen pro Jahr auf die eines Satelliten: 12 Tagen im gleichen Orbit bzw. alle 6 Tage im gegengleichen Orbit.
verfügen.
Die Methode der Persistent Scatterer Interferometry (PSI) ist eine leistungsfähige Analysemethode, die Deformationen auf der Erdoberfläche mit potenziell sehr hoher Genauigkeit bestimmen kann, ohne dass Sensoren an der Oberfläche montiert sind. Im Einzelnen handelt es sich bei PSI um ein differentielles, InSAR (Interfometic Synthetic Aperture Radar)-Radar-Verfahren, bei dem die Eigenschaften der Welleninterferenz zur Ableitung von Messgrößen genutzt werden. Mit Hilfe von PSI lassen sich - durch Vergleich der Phasenwerte korrespondierender Pixel unterschiedlicher Aufnahmezeitpunkte (Szenen) - Distanzunterschiede im Bereich eines Bruchteils der Wellenlänge A ableiten [11].
Grundsätzlich wird bei der PSI-Methode kein Reflektor vor Ort benötigt, sondern es werden natürliche Rückstrahler (Persistent Scatterer PS) verwendet. Wie in Fig. 2 ersichtlich werden diejenigen Pixel untersucht, die über mehrere Aufnahmen oder Interferogramme hinweg kohärent bleiben (in Fig. 2 angedeutet als weiße Kreise mit schwarzer Umrandung), und somit als kohärente Reflexion über eine Serie von Aufnahmebildern (=Szenen oder SAR-Bilder) als PSI-Punkte fungieren. Dazu wird eine größere Anzahl von Aufnahmebilder (in der Regel mehr als 20) verarbeitet, wodurch eine Zeitreihe der Verformungen sowie die mittlere Offsetrate für den Persistent Scatterer (PS) berechnet werden kann [10]. Diese Auswertung von Zeitreihen wird im Speziellen als „multi-temporal satellite-based differential interferometry“ (MTInSAR) bezeichnet [17]. Mit zusätzlich am Beobachtungsobjekt angebrachten Reflektoren (Corner-Reflektoren oder CR) kann die Genauigkeit gesteigert
werden, sowie eine bessere Aussage wie eindeutige Punktzuordnung erfolgen.
Lange et al. [1] verwendete in expliziten Forschungsarbeiten Daten des vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und Airbus DS betriebenen nicht-kommerziellen hochauflösenden Satelliten TerraSAR-X (TSX), um die Methoden an verschiedenen Strukturen und Gebäuden zu testen. Ein Projekt aus 2019 beobachtet Wasserkraftwerke, aufgenommen mit dem höchstauflösenden Modus, dem so genannten „Staring Spot-Light“ mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung. Damit konnte gezeigt werden, dass die Genauigkeit im sub-cm-Bereich möglich ist [12]. Auch Staudämme wurden mit Sentinel-1Daten vermessen und dabei Verschiebungsraten von sub-cm/a ermittelt. Ein weiteres
Beispiel, bei dem sich Sentinel-1-Daten als anwendbar erwiesen haben, ist die Erkennung
7747
Lazecky et al. [14] zeigt in drei Fallstudien (Brücken in Bratislava, Ostrava und Hongkong) das Potenzial für die Überwachung von Verformungen und Bewegungen mit Einbezug von thermischer Dilatation bei Brückenstrukturen. Mit Oberflächentemperaturmessungen und einfachen Zusammenhängen konnte die Genauigkeit wesentlich gesteigert werden. Mit installierten Sensoren gelang eine Zerlegung der SAR-Phasendifferenz in Bezug auf den Referenzpunkt zwischen der Phasenänderung aufgrund von Höhenunterschied und thermischer Ausdehnung. Basierend auf der Eignung des untersuchten Datensatzes und der Annahme der Linearität dieser Parameter wurde eine Korrelation der Temperaturänderungen und der linearen Verformungsrate in der Zeitspanne mit MTINSAR Methoden ausgewertet, wobei hier immer mehrere Orbits zur Lagebestimmung gleichzeitig
kombiniert werden müssen.
Selvakumaran et al [15] entwickelte Überlegungen, wie durch eine geeignete statistische Kombination von SAR- und In situ-Messungen nicht erfasste unbekannte Größen aufgeklärt werden könnten, sodass auch die absoluten Bewegungen der Brücke verwendet werden können. Die absolute Verschiebung kann auch nicht mit Verschiebungsmessgeräten auf dem Bauwerk gemessen werden. Bedingt durch die Häufigkeit der Satellitenmessungen und das Rauschen innerhalb der Messungen können eher nur saisonale Trends verfolgt werden, welche damit herkömmliche Inspektionssysteme ergänzen. Hier wird auch explizit auf die Problematik bei Auswertungen unter Kombination mehrerer Orbit-Richtungen hingewiesen. Vor allem dann, wenn die Aufnahmen mit verschiedenen Blickwinkeln an verschiedenen Tagen oder zu verschiedenen Tageszeiten gemacht werden, ist das Bauwerk, z.B die Brücke, einer anderen Temperatur ausgesetzt, was sich auf die thermische Bewegung auswirkt. Eine Möglichkeit der Auswertung ist, nur Punkte bei gleicher Bauwerkstemperatur zu verwenden. Die im Rahmen der erwähnten Arbeit an der Waterloo-Bridge in London durchgeführten Messungen erwiesen sich als vergleichbar, wenn man die relative Bewegung der Punkte entlang der Brücke zueinander verwendet. Verschiedene Belastungsfälle wie Gezeitenbewegungen, Temperaturausdehnung, Verformungen durch Verkehrslasten sowie Schwinden und Kriechen des Betons
erschweren die Interpretation. Nettis et al. [17] gibt zusammenfassend einen sehr guten Überblick über Forschungen und
ersten Anwendungen von MTInSAR- Methoden in Bezug auf Kompensation von
thermischen Bauwerksverformungen, welche folgend nochmals wiedergegeben wird: Eine
Markogiannaki et al. [28] untersuchen anhand einer langgezogenen Fallstudienbrücke in Griechenland, wie MTINSAR zur Unterstützung visueller Brückeninspektionen eingesetzt werden kann. Sie entkoppeln die Verschiebungen aufgrund von temperaturbedingten Effekten und vertikalen Detektionen und stellen eine sich entwickelnde Verformung von 1,8 mm/Jahr bei einem absoluten Wert von 9,5 mm fest, die nach Ansicht der Autoren mit sich entwickelnden Degradationsphänomenen in Verbindung gebracht werden kann, die mit Hilfe von Vor-Ort-Inspektionen bestätigt wurden. Giordano et al. [29] schlagen eine Methode zur Erkennung von Strukturschäden auf der Grundlage von PS-Zeitreihen vor, bei der unerwünschte Verformungen aufgrund von Umweltbedingungen (z.B. temperaturbedingte Verformungen) vernachlässigt werden. Die Wirksamkeit der Methode wird anhand einer Stahlfachwerkbrücke, der Palatino-Brücke in Rom, nachgewiesen, die
setzungsbedingten Verformungen unterworfen ist.
mit den zugehörigen (gemessene) Temperaturänderungen.
Aus dem Stand der Technik bekannte Umrechnung der Koordinatentransformation:
Die Satelliten kreisen in 2 Umlaufbahnen mit zwei Orbitalrichtungen um die Erde (Süd/Nord= ASCENDING ASC und Nord/Süd= DESCENDING DEC) und liefern damit für jeden Orbit bzw. jede Umlaufbahn eine gemessene Veränderung der Phase in Blickrichtung/Messrichtung des Satelliten Line of Sight (LOS), mit dem dazugehörigen Winkel. Die Basis sind interferometrisch bestimmte Phasenunterschiede der Radarsignale (Differenzielle SAR Interferometrie) welche über Zeitreihen verwendet werden. Mit Techniken der Fernerkundung werden diese für jeden Orbit extra vorprozessieret. Die Aufnahmen an der Erdoberfläche werden je nach Orbitalrichtung ASC, DSC zeitlich um mehrere Tage versetzt aufgenommen. Bisherige Ansätze verwenden zur Berechnung einer horizontalen und einer vertikalen Verschiebungskomponente auf der Erdoberfläche die aus beiden Orbitalrichtungen ASC, DSC gemessene Schrägdistanz dios ase , dios ase, (Siehe Fig. 3).
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der aus dem Stand der Technik bekannten Koordinatentransformation nach [30], bei der die Differenzverformungen zwischen den Zeitreihen die zeitliche Entwicklung der Verformung dıos in Blickrichtung LOS als Verformung nach Osten dr: und als vertikale Verformung du, wiedergeben.
Damit ist die Koordinatentransformation unterbestimmt, da keine dritte Orbitalrichtung vorhanden ist. Es können somit bei beispielhafter Überflugrichtung Nord-Süd absolut nur die Ost-West-Verformung und die daraus errechnete vertikale Lageverschiebungen bestimmt werden. Die praktische Anwendung ist daher sehr eingeschränkt, es können damit keine (Brücken-)Bauwerke mit Orientierung in der Satelliten Flugbahn Nord-Süd
Die Umrechnung der Koordinatentransformation erfolgt nach folgendem Grundschema:
* Satelliten fliegen in Umlaufbahnen bzw. Orbits um die Erde, und führen u.a. Radarverformungsmessungen an der Erdoberfläche durch.
* Die Aufnahmen finden aufgrund der Satellitenflugbahn zeitlich versetzt statt. Z.B. bei Sentinel passiert ein Satellit alle 12 Tage die gleiche Stelle an der Erdoberfläche im gleichen Orbit. Je nach Lage auf der Erdoberfläche wird der Punkt von mind. 2 Orbits im Idealfall von bis zu 4 Orbits überflogen, daraus resultieren 60-120 Aufnahmen pro Jahr.
* Sie können je Flugbahn/Orbit immer nur in Blickrichtung LOS messen.
* Die Aufnahmen der Zeitreihen werden mit Methoden der Fernerkundung vorprozessiert und korrigiert (z.B. ellipsoidische, topografische, verformungsabhängige, atmosphärische Korrektur, etc...).
* Es erfolgen mehrere Aufnahmen aus denen ein kohärenter Referenzpunkt (Persistent Scatterer Punkt) erkannt werden kann (in der Regel 20 Aufnahmen). (Referenzzeitpunkt=Zeitpunkt t+).
* Es erfolgt eine weitere Aufnahme zeitlich versetzt, wenn der Satellit nach wenigen Tagen wieder an gleichem Ort und Stelle ist (Aufnahmezeitpunkt t2)
* Die zeitlich differenzielle Änderung der Lagekoordinaten wird berechnet.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung der Bildaufnahmen, Winkel und Lagebezeichnung bei Blickrichtung Ost-West nach [31].
Im Detail erfolgt die Bestimmung der Änderung der Lagekoordinaten im Stand der Technik wie folgt: Definitionen der Daten:
8; — Einfallswinkel (bekannt)
AaLD — Azimut AZ — Blickrichtung ALD (bekannt)
dup zeitliche vertikale Bewegung (gesucht)
d\n- zeitliche Bewegung nach Norden (gesucht)
de — zeitliche Bewegung nach Osten (gesucht)
dios- gemessenes zeitliches Delta der zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten in Blickrichtung LOS gemessenen Schrägdistanz
Die dios-Bewegung besteht, wie in den Abbildungen dargestellt, aus drei Komponenten: dup, du und de. Der trigonometrische Zusammenhang in Bezug auf Einfallswinkel 8; und Azimut aaLD wird durch folgende Gleichung 1 nach []:
A AA AT Gleichung 1
Fig. 1 zeigt eine Darstellung der Koordinatentransformation von Bodenbewegungsrichtungen bei Anwendung von zwei Orbits bzw. Orbitalrichtungen.
Nachteile des bekannten Stands der Technik:
- Gleichung 1 ist unterbestimmt,
- der Betrag und die Richtung einer tatsächlichen Punktbewegung ist unbekannt,
- die Ableitung der vertikalen Brückenbewegung ist nur mit gleichzeitiger Projektion von beiden Orbitalrichtungen ASC — DSC möglich. Das heißt, Gleichung 1 wird für die zwei vorhandenen Orbitalrichtungen aufgestellt, welche jedoch zu unterschiedlichen Zeiten
aufgenommen wurden. Gleichung 1 ist damit noch immer einfach unterbestimmt.
Aus diesem Grund wird im Stand der Technik folgende Näherung durchgeführt:
- Derzeitige Anwendung des Verfahrens nur bei Objekten in Ost-West-Orientierung, d.h. normal zur Flugrichtung Nord-Süd und in ungefährer Ausrichtung in Blickrichtung LOS des Satelliten möglich.
- Bei Ausrichtung des Objekts in Ost-West-Richtung, ist der Einfluss der zeitlichen Bewegung nach Norden dy untergeordnet und wird vernachlässigt. Es sind nur mehr zwei Größen übrig, die berechnet werden können.
- Ermittlung absoluter Lageverschiebung in Ostrichtung E als Differenz der einzelnen Zeitreihen (d£) unter Einbezug beider Orbitalrichtungen ASC, DSC, und Berechnung dup aus Gleichung 1.
Da die Messung aus den beiden Orbitalrichtungen ASC und DSC zu unterschiedlichen Zeitpunkten stattfindet, ist dies gut geeignet für langsame Bodenbewegungen. Aufgrund starker temperaturbedingter Änderungen im Tagesgang, wie diese beispielsweise bei vielen weitgespannten Brücken auftreten, ist der Einsatz dieser Methodik für Bauwerke nur eingeschränkt möglich, da die thermische Verschiebung zu den unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten berücksichtigt werden muss (bauwerksspezifische TemperaturKompensation). In der Regel wurde bisher in der Fernerkundung/MTInSAR, wie in den vielen Arbeiten [11-29] gezeigt, zumindest die Oberflächen- bzw. Lufttemperatur zum Aufnahmezeitpunkt als eine Korrektur des thermischen Verschiebungsanteils verwendet,
welche parallel zu den Zeitreihenaufnahmen berechnet wurde und in die Auswertung miteinbezogen werden. Entscheidend ist jedoch die Bauteilverschiebung selbst, und damit die Bauteiltemperatur, welche aufgrund der Beharrungseffekte der eingesetzten Materialien als instationärer Prozess nicht direkt proportional mit der Lufttemperatur zusammenhängt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, diesbezüglich Abhilfe zu schaffen und ein Verfahren zur Ermittlung der relativen Vertikalverformung Adıp eines zu untersuchenden Objekts bereitzustellen, das die bekannten Nachteile überwindet, für Objekte mit beliebiger Orientierung bzw. Ausrichtung zur Blickrichtung eines Satelliten bzw. Flugobjekts, von dem die InSAR-Daten aufgenommen werden, anwendbar ist, eine verbesserte Genauigkeit aufweist und eine bestmögliche Ausnutzung der vorhandenen Datenbasis ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Ermittlung der relativen Vertikalverformung Adıp eines zu untersuchenden Objekts, insbesondere eines Bauwerks, vorzugweise einer Brücke, innerhalb einer Zeitspanne zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Aufnahmezeitpunkten basierend auf von zumindest einem Flugobjekt gemessenen Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR-)Daten,
- wobei sich das zumindest eine Flugobjekt auf einer Flugbahn in einer Flugrichtung wiederholt in zeitlichem Abstand über das zu untersuchende Objekt bewegt und währenddessen entlang einer Blickrichtung (LOS) InSAR-Daten aufnimmt,
- wobei basierend auf den aufgenommenen InSAR-Daten Interferogramme erstellt werden, und
- wobei zumindest zwei Persistent Scatterer (PS-)Punkte auf dem zu untersuchenden Objekt als Pixel ermittelt werden, die über eine Folge von Interferogrammen kohärent bleiben,
mit den Merkmalen von Patentanspruch 1. Erfindungsgemäß sind dabei folgende Schritte vorgesehen:
- Ermitteln der Veränderung der Phase in Blickrichtung mit dem zugehörigen Einfallswinkel 8; zwischen der Blickrichtung und der Nadirrichtung und dem zugehörigen Winkel daD zwischen der auf eine horizontale Fläche projizierten Blickrichtung und der geographischen Nordrichtung für die zumindest zwei PS-Punkte auf dem zu untersuchenden Objekt basierend auf zu zumindest zwei Aufnahmezeitpunkten erstellten Interferogrammen,
- Ableiten der differenziellen Verformungsänderung Adıos des zu untersuchenden Objekts in der Blickrichtung des Flugobjekts zwischen den Aufnahmezeitpunkten basierend auf der ermittelten Veränderung der Phase, insbesondere nach Korrektur von Fehlern bedingt durch Phasensprünge,
- Durchführen einer Koordinatentransformation der differenziellen Verformungsänderung Adıos in die Richtung des zu untersuchenden Objekts, wobei die horizontalen Bewegungskomponenten der differenziellen Verformungsänderung Adıos auf die Längsund die Querrichtung des zu untersuchenden Objekts projiziert werden, insbesondere unter Heranziehung des Winkel aos zwischen der auf eine horizontale Fläche projizierten Längsachse des Objekts und der geographischen Nordrichtung,
- Ermittlung der Temperatur, insbesondere der Temperatur des zu untersuchenden Objekts, insbesondere als Schätzwert und/oder durch Messung,
- Ermittlung der zwischen den Aufnahmezeitpunkten aufgetretenen relativen Differenzverformung Adıong In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts zwischen den, den PS-Punkten entsprechenden, Betrachtungspunkten auf dem zu untersuchenden Objekt unter Berücksichtigung der ermittelten Temperatur
- Berechnung der relativen Vertikalverformung Adıp des zu untersuchenden Objekts zwischen den Aufnahmezeitpunkten unter Heranziehung der zuvor ermittelten relativen Differenzverformung Adıong In Längsrichtung und der differenziellen Verformungsänderung Adıos.
Im Zusammenhang mit der Erfindung wird unter einem Flugobjekt jegliches Objekt verstanden, dass sich in einem Abstand zur Erdoberfläche entlang einer vorgegebenen, insbesondere geschlossenen, Flugbahn über diese hinwegbewegt bzw. diese überfliegt und dabei InSAR-Daten aufnehmen kann. Bei einem solchen Flugobjekt kann es sich beispielsweise um ein Flugzeug, einen Hubschrauber, eine Drohne oder andere unbemannte Flugobjekte, aber in erster Linie um Satelliten handeln. Derartige Flugobjekte verfügen über spezielle Radarantennen, welche für die für Radarinterferometrie (engl. Interferometric Synthetic Aperture Radar - InSAR) geeignet sind.
Bei einer solchen Flugbahn kann es sich beispielsweise im Fall eines Satelliten um einen Orbit handeln, der sich jeweils kreisförmig oder elliptisch um die Erde, insbesondere auf der einen Seite der Erde von einem ersten Pol zu einem diesem gegenüberliegenden zweiten Pol und daran anschließend auf der anderen Seite der Erde vom zweiten Pol zum ersten Pol, erstreckt. Unter der Flugrichtung wird die Fortbewegungsrichtung des Flugobjekts bei seiner Bewegung entlang seiner Flugbahn verstanden, beispielsweise die Orbitalrichtung. Unter der Blickrichtung des Flugobjekts wird dabei diejenige Richtung verstanden, unter der das Flugobjekt InSAR-Daten von Objekten auf der Erdoberfläche aufnimmt. Unter dem Nadir wird der dem Zenit gegenüberliegende Fußpunkt verstanden, unter dem Azimut wird der Horizontalwinkel gegenüber der nach Nordrichtung verstanden.
Unter InSAR-Daten werden die Messdaten, beispielsweise SAR-Bilder der Satelliten nach der InSAR-Methode, verstanden, welche - vorzugsweise mit fernerkundlichen Methoden vorprozessiert und, gegebenenfalls nach Korrektur(en) - interferometrisch analysiert
werden.
Unter PS-Punkten auf dem zu untersuchenden Objekt bzw. Pixeln, die über eine Folge von Interferogrammen kohärent bleiben, werden im Zusammenhang mit der Erfindung Punkte bzw. Pixel verstanden, die zu unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten gleich abstrahlend bleiben.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorteilhafterweise möglich, die relative Vertikalverformung Adıp eines zu untersuchenden Objekts aus den Messwerten nur einer einzigen Orbitalrichtung und den zugehörigen bestimmten horizontalen Lageverschiebungen der Betrachtungspunkte zu ermitteln. Die zwischen den Aufnahmezeitpunkten aufgrund thermischer Effekte auftretende horizontale relative Lageänderung bzw. Verformungskomponente wird vorteilhafterweise ebenfalls berücksichtigt.
Das Hauptaugenmerk bei einem erfindungsgemäßen Verfahren liegt im Unterschied zum Stand der Technik nicht auf der absoluten Lageänderung, sondern es wird eine relative Verschiebung zwischen zwei Persistant Scatterer-Punkten bzw. den, diesen PS-Punkten entsprechenden, Betrachtungspunkten auf dem zu untersuchenden Objekt ermittelt.
Dazu wird erfindungsgemäß eine Koordinatentransformation der differenziellen Verformungsänderung Adıos in die Richtung des zu untersuchenden Objekts vorgenommen und die horizontalen Bewegungskomponenten, d.h. die Nord-Komponente Ade, und Ost-Komponente Ady der differenziellen Verformungsänderung Adıos des Objekts in die Richtung des Objekts, also auf die Längs- und die Querrichtung des zu untersuchenden Objekts projiziert.
Im Gegensatz zu den aus Stand der Technik bekannten Verfahren ist es auf diese Weise möglich, Objekte mit beliebiger Orientierung bzw. Ausrichtung zur Blickrichtung LOS des Flugobjekts bzw. dessen Flugbahn zu untersuchen. Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist nicht darauf angewiesen, dass z.B. bei Heranziehung von InSAR-Daten von SentinelSatelliten die Nord-Komponente Ady der differenziellen Verformungsänderung Adıos nur eine untergeordnete Rolle spielt, wenn das untersuchte Objekt sich in Ost-West-Richtung erstreckt, was bedingt, dass eine Anwendung der bekannten Verfahren nur bei Objekten
mit Ost-West-Orientierung möglich ist und wofür auch Messwerte aus zwei unterschiedlichen Flug- bzw. Orbitalrichtungen ASC, DSC benötigt werden.
Die Vorteile dieses Ansatzes beruhen an der Tatsache, dass kein Verschneiden verschiedener Orbits mehr notwendig ist, um auf von der zeitlich ändernden Schrägdistanz
dıos auf die vertikale Richtung dup umzurechnen.
Daraus resultieren folgende Vorteile:
* Dichtere Zeitreihen, da die InSAR-Messdaten verschiedener Orbitalrichtungen jeweils für sich genutzt werden können und nicht miteinander verschnitten werden müssen.
* Mehr mögliche Betrachtungspunkte auf dem untersuchten Objekt, da die einzelnen möglichen Betrachtungspunkte nicht von jeweils zwei Orbits bzw. Orbitalrichtungen aus gesehen werden müssen, sodass ein erfindungsgemäßes Verfahren auch auf kleinere Brücken anwendbar ist und eine verbesserte Genauigkeit liefert.
* Gesteigerte Genauigkeit, da keine Unschärfen aufgrund von zwischen den verschiedener Aufnahmezeitpunkten aufgetretenen thermischen Effekten mehr vorliegen.
* Keine Einschränkung der Messobjektausrichtung, wohingegen bei bekannten Verfahren derzeit nur Objekte mit ungefährer Ausrichtung in Blickrichtung LOS des Satelliten, von dem aus die InSAR-Daten gemessen werden, möglich ist. Bei Nutzung von Sentinel-Satelliten ist bei bekannten Verfahren z.B. eine Ost-West Orientierung des zu untersuchenden Objekts notwendig.
Eine weiter verbesserte Genauigkeit bei der Bestimmung der relativen Vertikalverformung Adıp eines zu untersuchenden Objekts kann erzielt werden,
- wenn die zwischen den Aufnahmezeitpunkten aufgetretene relative Differenzverformung Adrrans In Querrichtung des zu untersuchenden Objekts zwischen den, den PS-Punkten entsprechenden, Betrachtungspunkten auf dem zu untersuchenden Objekt unter Berücksichtigung der ermittelten Temperatur ermittelt wird und
- wenn bei der Berechnung der relativen vertikalen Differenzverformung Adıp des zu untersuchenden Objekts zwischen den Aufnahmezeitpunkten zusätzlich die relative Differenzverformung Adrıans In Querrichtung herangezogen wird.
Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, bei Objekten, die nicht längserstreckt ausgebildet sind, eine besonders hohe Genauigkeit bei der ermittelten relativen Vertikalverformung Adıp
zu erzielen.
Eine besonders exakte Feststellung der für die relative Differenzverformung Adıong In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts relevanten Temperatur kann erzielt werden, wenn zur Ermittlung der Temperatur die innere Temperatur des zu untersuchenden Objekts gemessen wird. Dies erfolgt beispielsweise durch Einbohren der Temperatursensoren in das Tragwerksinnere im Falle eines Massivtragwerkes (z.B. aus Beton), bzw. durch das Ankleben an der Oberfläche bei dünnwandigen Tragwerken, beispielsweise aus Stahl. Die Genauigkeit dieser Temperaturbestimmung steigt mit der Anzahl der verwendeten Temperatursensoren im Querschnitt sowie über die Länge des Tragwerks.
Eine alternative oder zusätzliche Variante zur Feststellung der für die relative Differenzverformung Adıorng In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts relevanten Temperatur, die mit wenigen, besonders einfach ausgestalteten Temperatursensoren im Bereich des Objekts bzw. gänzlich ohne derartige Temperatursensoren auskommt, kann bereitgestellt werden, wenn die Lufttemperatur in Bereich des zu untersuchenden Objekts gemessen und/oder aus Wetterdaten abgeleitet wird.
Eine weitere alternative oder zusätzliche Variante zur Feststellung der für die relative Differenzverformung Adıorng In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts relevanten Temperatur, die gänzlich ohne Temperatursensoren im Bereich des Objekts auskommt, kann bereitgestellt werden, wenn zur Ermittlung der Temperatur ein empirisches Temperaturmodell zur Ableitung der inneren Temperatur des zu untersuchenden Objekts basierend auf Netzwetterdaten herangezogen wird.
Gemäß einer besonders exakten und gleichzeitig rechnerisch besonders einfachen Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass zur Ermittlung der relativen Differenzverformung Adıeong In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts die thermische Verformung zwischen den, den PS-Punkten entsprechenden, Betrachtungspunkten auf dem zu untersuchenden Objekt unter Berücksichtigung der Temperatur, insbesondere der inneren Temperatur des zu untersuchenden Objekts, mit einem mechanischen Modell berechnet wird.
Zur weiteren Verbesserung der Berechnungsgenauigkeit bei der Ermittlung der relativen Vertikalverformung Adıp eines zu untersuchenden Objekts kann vorgesehen sein, dass zur Ermittlung der relativen Differenzverformung Adıona In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts und/oder zur Kalibration des in einem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten mechanischen Modells die Lageverschiebung zwischen den, den
PS-Punkten entsprechenden, Betrachtungspunkten auf dem zu untersuchenden Objekt messtechnisch, insbesondere durch Laserdistanzmessung, ermittelt wird.
Um Fehlinterpretationen bedingt durch Phasensprünge in den Messdaten besonders effektiv zu vermeiden, kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass vor dem Ableiten der differenziellen Verformungsänderung Adıos des zu untersuchenden Objekts zur Korrektur von Fehlern bedingt durch Phasensprünge eine Korrektur der Phasenzahl in Blickrichtung des Flugobjekts, insbesondere eine Korrektur mit statistischen Methoden, vorzugsweise ein phase unwrapping, für die zumindest zwei PSPunkte auf dem zu untersuchenden Objekt basierend auf zumindest zwei zu annähernd gleichem Aufnahmezeitpunkt, insbesondere entlang derselben Blickrichtung,
aufgenommen InSAR-Datensätzen vorgenommen wird.
Unter Phasenzahl wird im Zusammenhang mit der Erfindung die ganzzahlige Anzahl der Wellen verstanden, welche für die Distanzmessung über Messung des Zeitsignals bestimmt werden. Phasenmehrdeutigkeiten bzw. Phasensprünge sind bedingt durch eine Fehlinterpretation der Phasenanzahl aufgrund Messfehler in der Zeitnehmung bei der Messung der Änderung der Schrägdistanz in Blickrichtung (LOS=Line of Sight) des Satelliten und können durch statistische Methoden, insbesondere phase unwrapping,
korrigiert werden.
In diesem Zusammenhang kann für eine besonders effektive Nutzung der zur Verfügung stehenden InSAR-Daten vorgesehen sein,
dass sich zumindest ein weiteres Flugobjekt auf einer weiteren Flugbahn in einer weiteren, zur Flugrichtung des Flugobjekts entgegengesetzten, Flugrichtung wiederholt in zeitlichem Abstand über das zu untersuchende Objekt bewegt und währenddessen entlang einer weiteren Blickrichtung InSAR-Daten aufnimmt, und
dass zur Korrektur der Phasenzahl in Blickrichtung des Flugobjekts für die zumindest zwei PS-Punkte auf dem zu untersuchenden Objekt von dem sich auf der weiteren Flugbahn in der weiteren, entgegengesetzten, Flugrichtung bewegenden weiteren Flugobjekt entlang der weiteren Blickrichtung zu annähernd gleichem Aufnahmezeitpunkt aufgenommene
InSAR-Daten herangezogen werden.
Um die relative Vertikalverformung Adıp eines zu untersuchenden Objekts unabhängig von der Ausrichtung des Objekts zur Flugbahn des Flugobjekts und aus den InSAR-Daten eines einzelnen Flugobjekts mit nur einer Flugrichtung rechnerisch besonders einfach bestimmen
zu können, kann vorgesehen sein, dass die horizontalen Bewegungskomponenten in Ost-
Richtung Ade und in Nord-Richtung Ads der differenziellen Verformungsänderung Adıos auf die Längs- und die Querrichtung des zu untersuchenden Objekts projiziert werden gemäß Adı — op)
Adrrans = Adn”sin(da1D — Aop)
Um die relative Vertikalverformung Adıp eines zu untersuchenden Objekts mit beliebiger Ausrichtung zur Flugbahn des Flugobjekts unabhängig von der absoluten Bewegung des Objekts in Nord-Richtung bei längserstreckt ausgebildeten Objekten besonders einfach bestimmen zu können, kann vorgesehen sein, dass die relative Vertikalverformung Adıp berechnet wird nach
Ad = Adıos + Adıong * COS(AaLD — Aop) * Sin(6i) Up cos(8;)
Um die relative Vertikalverformung Adıp eines zu untersuchenden Objekts mit beliebiger Ausrichtung zur Flugbahn des Flugobjekts unabhängig von der absoluten Bewegung des Objekts in Nord-Richtung bei Objekten mit beliebiger Form bestimmen zu können, kann vorgesehen sein, dass die relative Vertikalverformung Adıp berechnet wird nach
Ad. — Adıos + (Adıong * COS(AXa_LD — Xop) + Adrrans * SIN(AaLD — op) * sin(9;) UP cos(6;)
Um bei der Berechnung der relativen Differenzverformung Adıeng In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts vorteilhaft ausnutzen zu können, dass diese von der thermischen Ausdehnung des Objekts dominiert ist, kann vorgesehen sein, dass die relative Differenzverformung Adıong In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts gemäß eines einfachen Stabmodells berechnet wird nach
Adı * ap“ AT
wobei AL der relativen Distanz zwischen den, den PS-Punkten entsprechenden, Betrachtungspunkten auf dem zu untersuchenden Objekt, av dem spezifischen Ausdehnungskoeffizienten des zu untersuchenden Objekts und AT der Veränderung der inneren Temperatur des zu untersuchenden Objekts und/oder der Lufttemperatur im Bereich des zu untersuchenden Objekts zwischen den Aufnahmezeitpunkten entspricht.
Gemäß einer besonders exakten und besonders einfach an verschiedenste variierende Parameter anzupassende Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass zur Ermittlung der relativen Differenzverformung Adıong In Längsrichtung
und/oder zur Ermittlung der relativen Differenzverformung Adr;ars In Querrichtung ein
Modell, insbesondere ein Finite-Elemente-Modell, erstellt und die relative Differenzverformung Adıong In Längsrichtung und/oder die relative Differenzverformung Adrrans In Querrichtung unter Berücksichtigung des spezifischen Ausdehnungskoeffizient ab des zu untersuchenden Objekts und der Veränderung der inneren Temperatur des zu untersuchenden Objekts und/oder der Lufttemperatur im Bereich des zu untersuchenden Objekts zwischen den Aufnahmezeitpunkten modelliert werden.
Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit bei der Ermittlung der relativen Vertikalverformung Adıp eines zu untersuchenden Objekts kann vorgesehen sein, dass vor der Ermittlung der PS-Punkte - eine Korrektur, insbesondere eine ellipsoidische, topografische, verformungsabhängige und/oder atmosphärische Korrektur, der aufgenommenen InSAR-Daten vorgenommen wird und/oder - weitere Signalverarbeitungsschritte auf die erstellten Interferogramme angewandt
werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von besonders vorteilhaften, aber nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielhaft beschrieben.
Im Folgenden zeigen schematisch:
Fig. 6a, Fig. 6b ein Ausführungsbeispiel für eine Korrektur von fehlinterpretierten Phasensprüngen,
Fig. 7a eine Darstellung der Lage zweier Betrachtungspunkte P+ und P; auf einer Brücke als zu untersuchendem Bauwerk,
Fig. 7b eine Darstellung der zeitlichen Änderung der Lage zweier Betrachtungspunkte P+ und P2 zwischen zwei unterschiedlichen Aufnahmen zu den Zeitpunkten t+ und t,,
Fig. 8a die differenzielle Verformung dıos in der Blickrichtung LOS des Flugobjekts, die horizontalen Bewegungskomponenten de, Ady der differenziellen Verformung dıos und den Winkel daLD,
Fig. 8b eine Darstellung einer Koordinatentransformation in Objektrichtung im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 9 geometrischer Zusammenhang der Verschiebungskomponenten der gemessen Schrägdistanz dıos in Blickrichtung LOS in die vektorielle Zerlegung der gesuchten vertikalen Richtung dup vertika UNd resultierende Längsrichtung dıong,.
Fig. 10a eine Darstellung der mittels digitaler Schlauchwaage berechneten zeitlichen Verformung Adıp von zwei Referenzpunkten Ref an einem untersuchten Objekt und der erfindungsgemäß berechneten relativen Vertikalverformung basierend auf Daten eines ersten Orbits,
Fig. 10b eine Darstellung der mittels digitaler Schlauchwaage berechneten zeitlichen Verformung Adıp von zwei Referenzpunkten Ref an einem untersuchten Objekt und der erfindungsgemäß berechneten relativen Vertikalverformung basierend auf Daten eines zweiten Orbits,
Fig. 10c eine Darstellung der mittels digitaler Schlauchwaage berechneten zeitlichen Verformung Adıp von zwei Referenzpunkten Ref an einem untersuchten Objekt und der erfindungsgemäß berechneten relativen Vertikalverformung basierend auf Daten eines dritten Orbits,
Fig. 10d eine Darstellung der mittels digitaler Schlauchwaage berechneten zeitlichen Verformung Adıp von zwei Referenzpunkten Ref an einem untersuchten Objekt und der erfindungsgemäß berechneten relativen Vertikalverformung basierend auf Daten eines vierten Orbits,
Fig. 11a ein erstes Ausführungsbeispiel einer statistischen Korrektur der Phasensprünge durch phase unwrapping,
Fig. 11b ein zweites Ausführungsbeispiel einer statistischen Korrektur der Phasensprünge durch phase unwrapping,
Fig. 11c ein drittes Ausführungsbeispiel einer statistischen Korrektur der Phasensprünge durch phase unwrapping,
Fig. 11d ein viertes Ausführungsbeispiel einer statistischen Korrektur der Phasensprünge durch phase unwrapping.
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung der relativen Vertikalverformung Adıp eines zu untersuchenden Objekts Ob, beispielsweise eines Bauwerks wie einer Brücke, innerhalb einer Zeitspanne zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Aufnahmezeitpunkten basierend auf von einem Satelliten gemessenen Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR-)Daten zunächst allgemein und anschließend anhand von konkreten Ausführungsbeispiel erläutert.
Zwar wird ein erfindungsgemäßes Verfahren im Folgenden anhand von Satelliten-
gemessenen InSAR-Daten für die Ermittlung der relativen Vertikalverformung Adıp einer Brücke als zu untersuchendem Objekt Ob beschrieben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren
ist jedoch keinesfalls auf diese Art von Flugobjekt zur Messung der InSAR-Daten beschränkt. Wesentlich ist lediglich, dass das Flugobjekt, sei es ein Satellit, ein Flugzeug, ein Hubschrauber, eine Drohne oder dergleichen, sich auf einer konstanten, vorgegebenen Flugbahn in einer Flugrichtung wiederholt in zeitlichem Abstand über das zu untersuchende Objekt bewegt und währenddessen entlang einer Blickrichtung LOS InSAR-Daten aufnimmt. Weiters ist ein erfindungsgemäßes Verfahren nicht auf langgestreckte Objekte Ob wie beispielsweise Brücken beschränkt. Ganz im Gegenteil ist mit einem erfindungsgemäßen Verfahren die relative Vertikalverformung Adıp beliebiger Objekte Ob bestimmbar, die vor allem auch eine beliebige Orientierung zur Flugbahn des Flugobjekts, das die InSAR-Daten misst, aufweisen können.
Allgemeine Beschreibung
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine Transformation von mit Flugobjekten, z.B. Satelliten, in einer Blickrichtung, d.h. einer Schrägdistanz oder Line of Sight LOS, gemessenen Verformungen von zumindest zwei eindeutig zuordenbaren Persistent Scatterer (PS)-Punkten bzw. den diesen PS-Punkten entsprechenden Betrachtungspunkten P+, P2 auf dem untersuchten Objekt. Dazu werden zumindest zwei PS-Punkte auf dem zu untersuchenden Objekt als Pixel ermittelt, die über eine Folge von Interferogrammen kohärent bleiben.
Es werden dabei zwei Betrachtungspunkte P;, P2, z.B. fix am Objekt montierte CornerReflektoren CR, welche als Referenzbezug und Verstärkung des Radarsignals dienen, definiert, deren Relativbewegungen bei unterschiedlichen Zeitpunkten t+, tz zueinander untersucht werden sollen (siehe Fig. 7a, 7b). Die Berechnung der relevanten relativen Vertikalverformung Adı, der beiden Betrachtungspunkte P+, P2 auf dem Objekt Ob erfolgt anschließend auf Basis von zumindest zwei zu den Zeitpunkten t+, t2 aufgenommenen
Szenen Sz bzw. Interferogrammen des Objekts Ob.
Dabei wird zunächst basierend auf zu zumindest zwei Aufnahmezeitpunkten t;, tz erstellten Interferogrammen die Veränderung der Phase in Blickrichtung LOS mit dem zugehörigen Einfallswinkel 8; zwischen der Blickrichtung LOS und der Nadirrichtung Nad und dem zugehörigen Winkel ao zwischen der auf eine horizontale Fläche projizierten Blickrichtung LOS und der geographischen Nordrichtung N für die zumindest zwei PS-Punkte auf dem zu untersuchenden Objekt Ob ermittelt. Die differenzielle Verformungsänderung Adıos des zu untersuchenden Objekts Ob in der Blickrichtung LOS des Flugobjekts zwischen den Aufnahmezeitpunkten t+, t2 wird basierend auf der ermittelten Veränderung der Phase
abgeleitet — vorzugsweise nach Korrektur von Fehlern bedingt durch Phasensprünge,
worauf weiter unten noch näher eingegangen wird.
Nach einer ursprünglichen Aufnahme zum Referenzzeitpunkt t+ ändert sich die Lage der Betrachtungspunkte P+4, P2 innerhalb der betrachteten Zeitspanne At= t2-t4. Die für das Bauwerksmonitoring wichtige Betrachtung der relativen Vertikalverschiebung Adıp zwischen P+ und P;2 innerhalb At kann über die weiter oben angeführte Gleichung 1
bestimmt werden zu:
3 + Alp = Qypz 7 Aus
Fig. 2a zeigt die Lage zweier Betrachtungspunkte bzw. PS-Punkte P+, P2 auf einem untersuchten, langgestreckten Objekt Ob, nämlich einer Brücke, zu einem ersten Zeitpunkt t. Fig. 7b zeigt die zeitliche Änderung der Lage der Betrachtungspunkte bzw. PS-Punkte P+1, P2 zwischen den Aufnahmezeitpunkten t+ und t2. Aufgrund einer Abkühlung kommt es zu einer Verkürzung der Brücke und einer Absenkung der beiden Betrachtungspunkte P+;, Po.
Zur Ermittlung der relativen Vertikalverformung Adıp erfolgt erfindungsgemäß eine Koordinatentransformation aus, vorzugsweise fernerkundlich vorprozessierten, InSARMessdaten. Es sind jedoch nur InSAR-Daten aus EINER Überflugsrichtung bzw. Orbitalrichtung erforderlich, sowie die zugehörigen bestimmten horizontalen Lageverschiebungen bzw. Bewegungskomponenten der Betrachtungspunkte P+4, P2 auf dem Objekt Ob. Beide Anteile, nämlich die aus InSAR-Daten berechnete Schrägdistanz und die horizontalen Lageverschiebungen bzw. Bewegungskomponenten werden in der Koordinatentransformation verwendet und es wird die relative Vertikalverformung Adıp
zwischen den Aufnahmezeitpunkten t+, tz bestimmt.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt dabei eine Koordinatentransformation der differenziellen Verformungsänderung Adıos des zu untersuchenden Objekts Ob in der Blickrichtung LOS des Flugobjekts in die Richtung des zu untersuchenden Objekts Ob unter Einbezug der relativen horizontalen Lageänderungen (Adıong, Adtrans) auf dem Objekt Ob, d.h. die horizontalen Bewegungskomponenten Ade, Adyn der differenziellen Verformungsänderung Adıos werden auf die Längs- und die Querrichtung des zu untersuchenden Objekts Ob projiziert.
Ausgehend von Gleichung 1 wird die horizontale Bewegungskomponente folgendermaßen auf die Längs- Adıong und Querrichtung Adrtrans des Objekts Ob, im Ausführungsbeispiel der Brücke, projiziert:
Adı — ABrücke)
Adrrans = Adn*sin(da1p — Kprücke)
wobei Cob = (Brücke Azimut der Brücke
A Differenz der zeitlichen Aufnahmen.
Fig. 8a zeigt schematisch die differenzielle Verformung dıos des zu untersuchenden Objekts Ob in der Blickrichtung LOS des Flugobjekts, sowie die horizontalen Bewegungskomponenten de, Ady der differenziellen Verformung dıos in Ostrichtung E und in Nordrichtung N und den Winkel as.o zwischen der auf eine horizontale Fläche projizierten Blickrichtung LOS und der geographischen Nordrichtung N. Fig. 8b zeigt schematisch die Koordinatentransformation in Objektrichtung mit den auf die Längs- und Querrichtung der untersuchten Brücke projizierten horizontalen Bewegungskomponenten Adıong UNd AdTrans und dem Winkel Agrücke ZWischen der auf eine horizontale Fläche projizierten Längsachse der Brücke und der geographischen Nordrichtung N.
Damit nimmt die Gleichung 1 folgende Form an:
Ad = Adıns + {Ad $ COS Car — App) * Adzpans SPUR app — Cop)) + in(8;) GileichHE cos{8;) ung 2
Zen
Bei längserstreckten bzw. langgestreckten Objekten Ob wie Brücken ist zumeist nur die dominierende Verschiebungskomponente in Objektlängsrichtung, d.h. relativen Differenzverformung Adıong In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts Ob, maßgebend, sodass die relative Differenzverformung Adrrans In Querrichtung des zu untersuchenden Objekts Ob unberücksichtigt bleiben kann, womit sich Gleichung 2 reduziert zu Gleichung 3:
Ad = Adıos * Adıong * COS(Maıp 7 Kopp) + SIn(8;)} ze =
i Gleichung 3 ME COS {RC
24147
Bei Objekten Ob mit beliebiger Form kann zusätzlich die zwischen den Aufnahmezeitpunkten aufgetretene relative Differenzverformung Adrtrans In Querrichtung des zu untersuchenden Objekts Ob zur Berechnung der relativen Vertikalverformung Adıp
herangezogen werden und Gleichung 2 zum Einsatz kommen.
Die zwischen den Aufnahmezeitpunkten t;, t2 aufgrund thermischer Effekte auftretende horizontale relative Lageänderung bzw. Verformungskomponente wird erfindungsgemäß bei der Ermittlung der zwischen den Aufnahmezeitpunkten aufgetretenen relativen Differenzverformung Adıong In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts Ob zwischen den, den PS-Punkten entsprechenden, Betrachtungspunkten mit berücksichtigt.
Dazu können beispielsweise Temperaturmessungen und eine Berechnung der thermischen Verschiebung mit physikalischen bzw. ingenieurmäßigen Modellen — z.B. den weiter oben beschriebenen Stabmodellen oder mehrdimensionalen Finite-Element (FE)-Modellen —
vorgenommen werden.
Grundsätzlich bestehen bei einem erfindungsgemäßen Verfahren folgende Möglichkeiten zur Ermittlung bzw. Berücksichtigung der Temperatur:
- Zur Berechnung der thermischen horizontalen Verformung zwischen den Betrachtungspunkten P+, P2 kann einerseits die gemessene innere (Struktur-) Temperatur (=Bauwerkstemperatur) herangezogen werden und die zugehörigen Verformungen können
mit z.B. einem mechanischen Modell berechnet werden.
- Anstatt der oder zusätzlich zur Verwendung von Temperaturmessdaten der inneren Temperatur des zu untersuchenden Objekts Ob, kann auch ein empirisches Temperaturmodell für die Berechnung der Objekttemperatur aus Daten aus meteorologischen Reanalysen herangezogen werden. Derartige meteorologische Reanalysen verwenden Wetterdaten im Raster von unterschiedlicher Auflösung (z.B. 1 kmx1 km) mit einer zeitlichen Auflösung von mind. 1 h. In dieses Modell gehen z.B. meteorologische Informationen von Lufttemperatur, Sonneneinstrahlung, Sonnenstand, Niederschlag und Wind ein und es werden die zugehörigen zeitlichen Verläufe der Objekttemperatur mit Gleichungen aus [33] berechnet. Die zugehörigen Verformungen können ebenfalls wiederum mit z.B. einem mechanischen/physikalischen bzw.
ingenieurmäßigen FE-Modell berechnet werden.
- Weiters zusätzlich oder alternativ dazu kann die horizontale Lageverschiebung bzw. die
zwischen den Aufnahmezeitpunkten aufgetretene relative Differenzverformung Adıong In
Längsrichtung und/oder die aufgetretene relative Differenzverformung AdrTrans IN Querrichtung des zu untersuchenden Objekts auch messtechnisch z.B. durch
Laserdistanzsensoren direkt gemessen werden.
Die unbekannten horizontalen Objektbewegung Adıong und Adtans können beispielsweise mit folgenden Methoden a)-c) bestimmt werden:
a) Einfacher modellhafter Zusammenhang bzw. mechanisches Modell:
Die relative Bewegung zwischen zwei Betrachtungspunkten P+, P2 in der Längsrichtung, d.h. die relativen Differenzverformung Adıong In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts, ist bei langgestreckten Objekten wie Brücken von der Brückenausdehnung geprägt. In den meisten Fällen kann diese nach folgendem Ansatz bestimmt werden:
Adı * Op? AT
wobei:
AL ist die relative Distanz zwischen den frei gewählten, am zu untersuchenden Objekt Ob befindlichen, betrachteten Messpunkten. Diese Messpunkte sind bei Verwendung von InSAR-Auswertung mit den bereits oben erwähnten Corner Reflektoren eindeutig am Objekt Ob zuordenbar. Werden nur natürliche Persistent Scatterer PS-Punkte angewendet, ist die Bestimmung der Lagekoordinaten und damit die relative Distanz aufgrund der Pixelgröße von ca. 5x20m entsprechend unschärfer, was jedoch noch immer eine ausreichend hohe Genauigkeit gewährleistet
Ab spezifischer Ausdehnungskoeffizient des jeweiligen Materials, aus Materialtabellen bzw. Materialbibliotheken bekannt,
AT Veränderung der Bauwerkstemperatur zwischen den Aufnahmezeitpunkten t;, t2, bzw. der Lufttemperatur zwischen den Aufnahmezeitpunkten t+, t2. Diese wird entweder als direkt gemessen innere (Bauwerks-) Temperatur oder als Lufttemperatur direkt aus den Wetterdaten verwendet. Diese kann aus Wetterdaten auch berechnet werden, z.B. über ein empirisches Modell oder eine instationäre thermische Berechnung z.B. FEM der Brücke und Kenntnis der Temperaturzeitreihen (z.B. aus Netzwetterdaten stundenweise).
Wie bereits zuvor erwähnt, kann eine Bewegung bzw. eine relative Differenzverformung Adrtrans In Querrichtung des zu untersuchenden Objekts in der Regel bei längserstreckten bzw. langgestreckten Bauwerken vernachlässigt werden. Damit folgt die Vereinfachung von Gleichung 2 auf Gleichung 3, wie oben angeführt, wobei ao, in diesem Fall dem Azimut der
Brücke, d.h. dem Winkel ABrüce ZWiSschen der auf eine horizontale Fläche projizierten Längsachse des Objekts und der geographischen Nordrichtung, entspricht.
b) Finite-Elemente (FE)-Modell
Es wird ein Berechnungsmodell erstellt, und die Temperauränderung AT als einwirkende Größe aufgebracht und die thermische Verformung berechnet. Die materialspezifischen Kenngrößen wie z.B. der Ausdehnungskoeffizient ay werden aus Materialbibliotheken verwendet, die tatsächlichen Randbedingungen/Brückenlager modelliert. Auch lassen sich damit durch Zwangspunkte behinderte Bewegungsverläufe, z.B durch Festlager bei integralen Brücken, besser abbilden. Die gesuchten Größen Adıong und/oder AdrTrans zwischen den Betrachtungspunkte werden direkt aus dem Modell entnommen und in Gleichung 2 oder Gleichung 3 eingesetzt.
c) Mittels Distanzsensoren wird die gesuchte thermische Verschiebungsgröße Adıong IN Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts Ob bzw. Adırans In Querrichtung des zu untersuchenden Objekts Ob zwischen den Betrachtungspunkten P+;, P2 direkt gemessen.
Optional kann vorgelagert noch ein automatisierter Algorithmus zur etwaigen Phasenkorrektur der Messung (siehe Fig. 6a, 6b) zur Bereinigung von Fehlinterpretationen von Phasensprüngen (phase unwrapping) eingesetzt werden, was besonders bei Objekten mit größeren Verformungsänderungen zwischen den Messungen vorteilhaft ist. Das Grundprinzip ist, eine Mehrfachbetrachtung bzw. ein gegenseitiger Abgleich mehrerer Orbitalrichtungen, wobei angenommen wird, dass auftretende Objektverformungen sich grundsätzlich affın zueinander verhalten werden. Diese Annahme gilt vor allem, wenn die Messung bei ähnlichen Temperaturverhältnissen (z.B. gleicher Tageszeit) stattgefunden hat.
Von zumindest zwei O Orbits bzw. Orbitalrichtungen aus wird dabei eine gegenseitige Korrektur der Phasenzahl in Blickrichtung LOS mit statistischen Methoden, z.B. durch eine Schwellwert-Abweichung vom gleitenden Mittelwert der betrachteten Orbits O im Bereich des Bruchteils einer Wellenlänge, durchgeführt. Werte außerhalb des Schwellwertbereichs (in der Regel \/4) werden phasenkorrigiert- jeweils um den Wert einer Wellenlänge (entweder addiert bzw. subtrahiert), und es wird anschließend erneut ein gleitender Mittelwert mit den korrigierten Daten gebildet. Dieser Prozess wird iterativ durchlaufen, bis eine bestmögliche Korrektur gefunden wurde und alle Werte innerhalb des Schwellenwertes liegen.
27147
Die damit angepasste Phasenzahl dient zur Rekonstruktion der originalen Laufzeit. Dieser Algorithmus kann mit unterschiedlichen oder gleichen Orbits O anwendet werden- wobei mehrere Orbit-Messungen die Genauigkeit erhöhen. Idealerweise werden Aufnahmen zum gleichen Zeitpunkt oder nur mit geringen zeitlichen Unterschieden herangezogen. Ist die tatsächliche Objektbewegung in der Blickrichtung der Satelliten größer, als der gewählte Schwellwert (definierter Bruchteil der Wellenlänge), so ist die Methode für eine Korrektur geeignet.
Fig. 6a, 6b zeigen in diesem Zusammenhang ein Grundschema der Anwendung der statistischen Korrektur von fehlinterpretierten Phasensprüngen. Gemessen wird die Phasenverschiebung bei zwei Zeitpunkten, wobei der Kreis den Zeitpunkt t+ symbolisiert und das Dreieck den Zeitpunkt t2. Die Phasenzahl ist bei der InSAR-Methode aufgrund der Ungenauigkeit in der Zeitnehmung nur ungefähr bekannt. Bei einer beispielsweise Wellenlängen von A\=5,5cm zum Zeitpunkt tz können bei einer fehlinterpretierten Phasenzahl Abweichungen der Verschiebung um ein ganzzahliges Vielfaches von nx5,5 cm vorliegen (siehe Fig. 6b). Deshalb wird vorzugweise eine vereinfachte Korrektur durchgeführt und ein Abgleich der Schrägdistanz dıios (Blickrichtung LOS) von mind. 2 Orbitalrichtung durchgeführt. Bei Abweichungen über dem Schwellwert (einem Bruchteil der Wellenlänge ) (z.B. % der Wellenlänge A) wird die Distanz entweder um den Wert der Wellenlänge \ nach oben oder unten korrigiert. Dies wird iterativ in Schritten wiederholt, bis
eine ausreichende Übereinstimmung vorhanden ist.
Fazit:
* Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren können örtlich relative Verformungs-/Setzungsunterschiede, d.h. die relativen Vertikalverformungen Adıp, ermittelt werden, jedoch keine Information über die absolute Lageverschiebung.
* Es wird vorausgesetzt, dass es für die horizontalen Verformungen in der Regel außer der temperaturbedingten Anteile ansonsten keine Lageveränderungen gibt.
* Wenn eine verlässliche Berechnung der horizontalen Bewegung nicht möglich ist, was bei sehr komplexen, statisch mehrfach unbestimmten Tragwerken vorkommen kann, ist eine Bestimmung der horizontalen Verschiebung z.B. durch Messungen erforderlich.
* Die Methode ist nicht rein datenbasiert und erfordert Ingenieurkenntnisse physikalischer Zusammenhänge und vor allem Kenntnis des Tragwerksverhaltens.
* Eine Differenzierung der vertikalen Verformungsanteile in einen thermischen Anteil (z.B. Erwärmung von Pfeiler und Ausdehnung nach oben) und setzungsspezifischen Anteil ist noch zusätzlich vorteilhaft, wie beispielsweise eine klassische bauwerksspezifische
Temperaturkompensation. Dies kann analog mit herkömmlichen Messmethoden erfolgen, wie z.B. digitale Schlauchwaagen, die Setzungsdifferenzen aufzeichnen.
Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrens beruhen auf der Tatsache, dass kein Verschneiden mehrerer, verschiedener Orbitalrichtungen mehr notwendig ist, um auf von der sich zeitlich ändernden Schrägdistanz dıos auf die vertikale Richtung dup umzurechnen. Des Weiteren ist die Berücksichtigung der Temperatur, z.B. in Form der Bauwerkstemperatur, ein integraler, vorteilhafter Bestandteil der erfindungsgemäßen Methodik bzw. der erfindungsgemäßen Koordinatentransformation.
Daraus resultieren folgende Vorteile:
* Dichtere Zeitreihen, da die InSAR-Messdaten verschiedener Orbitalrichtungen jeweils für sich genutzt werden können und nicht miteinander verschnitten werden müssen.
* Mehr mögliche Betrachtungspunkte auf dem untersuchten Objekt, da die einzelnen möglichen Betrachtungspunkte nicht von jeweils zwei Orbits bzw. Orbitalrichtungen aus gesehen werden müssen, sodass ein erfindungsgemäßes Verfahren auch auf kleinere Brücken anwendbar ist und eine verbesserte Genauigkeit liefert.
* Gesteigerte Genauigkeit, da keine Unschärfen aufgrund von zwischen den verschiedener Aufnahmezeitpunkten aufgetretenen thermischen Effekten mehr vorliegen.
* Keine Einschränkung der Messobjektausrichtung, wohingegen bei bekannten Verfahren derzeit nur Objekte mit ungefährer Ausrichtung in Blickrichtung LOS des Satelliten von dem aus die InSAR-Daten gemessen werden, möglich ist. Bei Nutzung von Sentinel-Satelliten ist bei bekannten Verfahren z.B. eine Ost-West Orientierung des zu untersuchenden Objekts notwendig.
Ausführungsbeispiel
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für die Berechnung der relativen Vertikalverformung Adıp einer zu untersuchenden Brücke innerhalb einer Zeitspanne zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Aufnahmezeitpunkten t+, tz basierend auf von einem Satelliten Sat gemessenen InSAR-Daten angegeben, wobei die Umlaufbahn eine Neigung in Bezug zur Erdachse von ca. 100° gegenüber dem Horizont aufweist.
In dem im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Blickrichtung des Satelliten,
der die InSAR-Daten aufnimmt, gleich mit der Brückenachse bzw. der Längsachse der Brücke. Dies bedeutet im Ausführungsbeispiel, dass die Brückenachse einen Azimut, d.h.
Winkel Aprücke ZWischen der auf eine horizontale Fläche projizierten Längsachse der Brücke Objekts und der geographischen Nordrichtung, von 10° aufweist.
Dies vereinfacht die Berechnung, weil die transversale Brückenbewegung, d.h. die relative Differenzverformung Adrıans In Querrichtung der zu untersuchenden Brücke, keinen Einfluss auf die Koordinatentransformation hat und somit vernachlässigt werden kann, was die graphische Darstellung erleichtert und die Erläuterung verständlicher macht. Es werden an einem Objekt, einer Brücke, zwei Betrachtungspunkte P+ und P>; definiert, und die relative vertikale Verformung zwischen den Aufnahmezeitpunkten t+ und t2 gesucht.
Im unten angeführten Ausführungsbeispiel sind eingangs Angaben zum Messobjekt bzw. zu untersuchenden Objekt Ob, einer Brücke, angegeben. Dabei handelt es sich um die Ausrichtung der Brücke QABrücke, den, Ausdehnungskoeffizienten des Brückenmaterials
Beton ae, und Messpunkte (Entfernung zu Referenzpunkt 1 AL).
Anschließend werden die Parameter des Satelliten, von dem aus die Messungen durchgeführt werden, angegeben: Einfallswinkel 8 und Azimut daLD, Sowie die vorprozessierte Auswertung aus den InSAR-Analysen: die Verformungen dıos in Blickrichtung LOS für die zwei betrachteten Punkte P+, P2 zu zwei Zeitpunkten t+ und t,.
Danach folgt für jeden Punkt P+, P2 eine Umrechnung der absolut gemessenen Verformung dıos in die Differenzverschiebung bzw. die differenziellen Verformungsänderung Adıos in Bezug auf die gewählte Zeitspanne (in der Regel ist dies die Wiederkehrperiode des Satelliten). Die absolut gemessenen Verformungen dıos zu den beiden Zeitpunkten t+, t2 werden subtrahiert, um auf die relative Verformungsänderung Adıos der betrachteten Punkte P-;, P2 innerhalb der gewählten Zeitspanne zu kommen.
Fig. 9 zeigt den geometrischen Zusammenhang der Verschiebungskomponenten der
gemessen Schrägdistanz dıios in Blickrichtung LOS in die vektorielle Zerlegung der gesuchten vertikalen Richtung dup vertikaı UNd resultierende Längsrichtung dıong.
Acdıup = 7 gesuchte relative vertikale Setzung zwischen zwei Punkien
Angaben Brücke
x 100 m relative Distanz zwischen befrachteten Punkten
Azimuth der Brücke
Ausdehnungskoeffizient für Beton (Literatur)
Angaben Satellit
Eis a Sun 38,1
Einfaliswinkel das Satelliten
SEEN Azimalh des Satefliian
LOS für Zeitpunkt 1, Punkt f LOS für Zeitpunkt 2. Punkt 3 LOS für Zeiltgunkt 1, Punkt 2
LOS für Zeitpunkt 2, Punkt 2
== 1, 1 me Punkt 1
= 5m Dunkt 2
Unterschied van LOS zwischen zwei Messtiagen und zwei Punkten
EN Bm 37,10 Bauwerkstempernatur für Zeitpunkt 1 und 2 EN Temperaturunterschied zwischen zwei Messtagen
ingenieurmaßige Sestimmung der Ausdehnung der Brünke zwischen zwei Punkten
Se AA ie Ce ALARM
ingenieurmäßige Bestimmung der Querverfonmung der Brücke zwischen zwei Punkteri
Ay {3 dam AT A
Umrechnung von LOS ins verlikaler Setzung mi Berücksichtigung von horizontaler BrücCkenbewWegung aufgrund der Temperatur
ARE m
Im nächsten Schritt erfolgt die bauwerksspezifische Temperaturkompensation. Die Änderung der Bauwerkstemperatur AT innerhalb der betrachteten Zeitspanne dient in diesem Beispiel dazu, die Ausdehnung der Brücke in Längsrichtung anhand eines Modells — in diesem Fall eine einfache lineare ingenieurmäßige Gleichung ermittelt aus dem
Stabmodel. Die relative Bewegung in der ÖQuerrichtung wurde im gezeigten
Ausführungsbeispiel vernachlässigt. Damit sind alle benötigten Angaben vorhanden, um aus der absolut gemessenen Verformung dıos eine vertikale Differenzverformung nach
Gleichung 3 der Brücke zu bestimmen.
Vergleichsversuche
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung der relativen Vertikalverformung Adıp eines zu untersuchenden Objekts basierend auf InSAR-Daten wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes auf eine weitgespannte Autobahnbrücke angewendet und mit einem bereits vorhandenen Messsystem, einer digitalen Schlauchwaage, eines der genauesten Systeme mit dem Differenzsetzungen direkt an Bauwerken gemessen werden können, abgeglichen. Die digitale Schlauchwaage funktioniert nach dem Prinzip des hydrostatischen Ausgleichs von kommunizierenden Gefäßen. Zwei Sensoren werden am Objekt angebracht und mit einem Verbindungsschlauch mit Messflüssigkeit verbunden und die relativen vertikalen Verformungsunterschiede über den Messzeitraum kontinuierlich
„digital“ aufgezeichnet.
Die Ergebnisse der mit einem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten relativen Vertikalverformung Adıp der zu untersuchenden Brücke sind in Fig. 10a bis Fig. 10d ersichtlich, wobei mit „Ref“ die Referenzverformungen, d.h. die Messergebnisse der digitalen Schlauchwaage, markiert sind und mit „InSAR ...“ die Auswertungen der Satellitenmessdaten gemessen an den Betrachtungspunkten (in diesem Fall Corner—Reflektoren).
Diese Zeitreihen der relativen Brückenverformungen dp, welche hauptsächlich aus sich ändernden Temperaturverformungen der Brücke resultieren, wurden für vier aufgezeichneten Orbits getrennt ausgewertet (in Fig. 10a — Fig. 10d beziehen sich die Angaben InSAR DSC022, DSC124, ASC146 und ASC073 auf die vier Orbits). Ebenso sind die zeitlich zugehörigen Differenzsetzungen gemessen mit der digitalen Schlauchwaage ermittelt worden. Als Temperaturkompensationsmodell für die InSAR-Daten diente ein einfaches Stabmodell, aus dem die relative Differenzverformung Adıorng In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts Ob berechnet wurde. Die erzielten Genauigkeiten sind in der Tabelle 1 in der Abhängigkeit von der verwendeten Temperaturkompensation mit Eingangsdaten der Objekttemperatur aus a) vor Ort gemessener Temperatur, b) Lufttemperatur, und c) Bauwerkstemperatur aus oben beschriebenen dem empirischen Modell als Standardabweichung zur Referenz in [mm] zusammengefasst.
Fig. 10a — Fig. 10d zeigen die berechnete relative Vertikalverformung von Adıp zwischen zwei Referenzpunkten (Corner-Reflektoren) am Objekt. Als Referenzwert ist im Diagramm das Ergebnis der digitalen Schlauchwaage strichliert dargestellt (Ref.) und die mit einem erfindungsgemäßen Verfahren berechneten relativen Vertikalverformung der InSAR Daten in durchgehender schwarzer Linie dargestellt (InSAR). Diese Auswertung wurde jeweils für vier verschiedene Orbit-Daten über den Messzeitraum von einem Jahr durchgeführt, und zu den jeweiligen Überflugs-Zeitpunkten der Satelliten ausgewertet. Tabelle 1 vergleicht die Ergebnisse der drei Methoden der Bestimmung der Bauwerkstemperatur für die relative
Vertikalverformung von Adıp.
Die in Fig. 10 und Tabelle 1 dargestellte Genauigkeit der InSAR-Auswertung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu den Referenzdaten (Schlauchwaage) ist ausreichend für ein ingenieurmäßiges Monitoring der Brücke.
Tabelle 1: Zusammenfassung der Standardabweichung der Abweichungen zwischen Adıp Referenzmesssystem (digitale Schlauchwaage) und Adıp aus InSAR-Daten basierend auf allen vorhandenen Messdaten, und der unter Verwendung unterschiedlicher
Bauwerkstemperaturen- zur Temperaturkompensation am Stabmodell. Werte in [mm]
Orbit a) Sensor vor Ort b) Lufttemperatur c) emp. Modell DSC022 2.4 2,8 2.1 DSC124 2.4 3.4 2.4 ASC073 2.5 3.1 3.0 ASC146 3.6 4.4 4.2 Mittelwert 2.7 3.5 2.9
Fig. 3 - Fig. 11d zeigen schließlich noch ein Ausführungsbeispiel einer statistischen Korrektur der Phasensprünge (phase unwrapping), nach dem weiter oben beschrieben Algorithmus. Es werden vorprozessierte LOS-Daten für zwei Descending Orbits DSC022 und DSC124 betrachtet, und jeweils ein gleitender Mittelwert gebildet. Werte außerhalb des Schwellwertbereichs \/4 werden phasenkorrigiert - jeweils um den Wert einer Wellenlänge A (entweder addiert bzw. subtrahiert), und erneut ein gleitender Mittelwert gebildet. Dieser Prozess wird mehrmals durchlaufen, bis eine bestmögliche Korrektur gefunden wurde und alle Werte innerhalb des Schwellenwertes liegen (in Fig. 11d erreicht).
[1] RVS 13.03.11 (2011) Straßenbrücken: Qualitätssicherung bauliche Erhaltung, Überwachung, Kontrolle und Prüfung von Kunstbauten. FSV — Arbeitsgruppe Brückenbau, Wien. Oktober 2011.
[2] https://www.ots.at/presseaussendung/OTS_20061214_OTS0143/asfinagaltersbergbruecke-ist-wieder-fuer-verkehr-freigegeben-2
[3] Bretschneider, N., Fiedler, L., Kapphahn, G. and Slowik, V. (2012), Technische Möglichkeiten der Probebelastung von Massivbrücken. Bautechnik, 89: 102-110. https://dol.org/10.1002/bate.201100010
[4] SAMRIS, Sustainable and Advanced Materials for Road In-fraStructure, project ID: GRD2/30228/2000 , 2006: Deliverable D30: “Guidance for the optimal assessment of highway structures. EU- FP5-Projekt
[5] Helmi, K., Taylor, T., Zarafshan, A. & Ansari, F. 2015: Reference free method for real time monitoring of bridge de-flections, Engineering Structures, 103, 116-124. DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.09.002
[6] Hester, D., Brownjohn, J., Bocianc, M. & Xu, Y. (2017): Low cost bridge load test: Calculating bridge displacement from acceleration for load assessment calculations, Engineering Structures 143, 358-374. DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.04.021
[7] Golser, J. and Steiner, W. (2021), International and European standards for geotechnical monitoring and instrumentation. Geomechanics and Tunnelling, 14: 63-77. https://doi.org/10.1002/geot.202000047
[8] EN_ISO 18674-1 (2015) Allgemeine Regeln- Anhang C.1
[9] VÖBU and SIBS Project partners, 2019. Final Report on SIBS — Saftey asssessment of exiting retaioningwalls; FFG Pro-ject #861163; VÖBU; Vienna.
[10] A. Vorwagner, M. Schlögl, M. Avian, B. Widhalm, C. Honeger, D. Prammer, P. Leopold: "Contactless deformation detection for bridge monitoring: First application of Sentinel-1 radar data in Austria"; Vortrag: IABMAS 2020 10th International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, 11.04.2021 - 17.04.2021; in: "Bridge Maintenance, Safety, Management, Life-Cycle Sustainability and Innovations - Yokota & Frangopol (eds)", Taylor & Francis, London (2021), ISBN: 978-0-367-23278-8; S. 208 - 214.
[11] Hooper, A., P. Segall, and H. Zebker 2007: Persistent scatterer interferometric synthetic aperture radar for crustal defor-mation analysis, with application to Volcän Alcedo, Galäpagos. Journal of Geophysical Research, 112, B0O7407
[12] Lange, O., Walter D, Anderssohn J. 2019 Satellite Based Longterm Deformation Monitoring on Dams and its Surroundings. 5 th Conference on Smart Monitoring, Assment and Rehabilitation of Civil Structures, Potsdam. 27 — 29 August 2019 Potsdam, Germany
[13] Barra, A. Monserrat, O. Mazzonti, P., Esposito, C., Cro-setto, M., Scarascia Mugnozza, G. 2016: First insights on the potential of Sentinel-1 for landslides detection. Geomatics, Natural Hazards and Risk. DOI:10.1080/19485805.2016.1171258
[14] M. Lazecky, D. Perissin, M. Bakon, J. M. de Sousa, I. Hlavacova and N. Real, "Potential of satellite InSAR techniques for monitoring of bridge deformations," 2015 Joint Urban Remote Sensing Event (JURSE), Lausanne, Switzerland, 2015, pp. 1-4, doli: 10.1109/JURSE.2015.7120506
[15] S. Selvakumaran et al., "Combined InSAR and Terrestrial Structural Monitoring of Bridges," in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 58, no. 10, pp. 7141-7153, Oct. 2020, doi: 10.1109/TGRS.2020.2979961.
[16] ESA 2023 https://sentinel.esa.int/ called on 1. Of May 2023
[17] Andrea Nettis, Vincenzo Massimi, Raffaele Nutricato, Davide Oscar Nitti, Sergio Samarelli, Giuseppina Uva, Satellite-based interferometry for monitoring structural deformations of bridge portfolios, Automation in Construction, Volume 147, 2023, 104707, ISSN 0926-5805, https://doi.org/10.1016/j.autcon.2022.104707.
[18] G. Fornaro, D. Reale, S. Verde, Bridge thermal dilation monitoring with millimeter sensitivity via multidimensional SAR imaging IEEE Geosci. Remote Sens. Lett., 10 (2013), pp. 677-681, 10.1109/LGRS.2012.2218214
[19] M. Crosetto, O. Monserrat, M. Cuevas-Gonzälez, N. Devanthery, G. Luzi, B. Crippa, Measuring thermal expansion using X-band persistent scatterer interferometry. ISPRS J. Photogramm. Remote Sens., 100 (2015), pp. 84-91, 10.1016/J.isprsjprs.2014.05.006
[20] P. Ma, T. Li, C. Fang, H. Lin, A tentative test for measuring the sub-millimeter settlement and uplift of a high-speed railway bridge using COSMO-SkyMed images. ISPRS J. Photogramm. Remote Sens., 155 (2019), pp. 1-12, 10.1016/.isprsjprs.2019.06.013
[21] M. Lazecky, D. Perissin, M. Bakon, J.M. De Sousa, I. Hlavacova, N. Real,Potential of satellite INSAR techniques for monitoring of bridge deformations. 2015 Joint Urban Remote Sensing Event, JURSE 2015 (2015), 10.1109/JURSE.2015.7120506
[22] M. Lazecky, I. Hlavacova, M. Bakon, J.J. Sousa, D. Perissin, G. Patricio, Bridge displacements monitoring using space-borne X-band SAR interferometry. IEEE J. Sel. Top. Appl. Earth Obs. Remote Sens., 10. (1) (2016), pp. 205-210, 10.1109/JSTARS.2016.2587778.
[23] Q. Huang, M. Crosetto, O. Monserrat, B. Crippa, Displacement monitoring and modelling of a high-speed railway bridge using C-band Sentinel-1 data. ISPRS J. Photogramm. Remote Sens., 128 (2017), pp. 204-211, 10.1016/j.isprsjprs.2017.03.016 [24] Q. Huang, O. Monserrat, M. Crosetto, B. Crippa, Y. Wang, J. Jiang, Y. Ding, Displacement monitoring and health evaluation of two bridges using sentinel-1 SAR images. Remote Sens., 10 (11) (2018), 10.3390/rs10111714
[25] J. Jung, D.J. Kim, S.K.P. Vadivel, S.H. Yun, Long-term deflection monitoring for bridges using X and C-band time-series SAR interferometry. Remote Sens., 11 (11) (2019), 10.3390/rs 11111258
[26] D. Cusson, K. Trischuk, D. Hebert, G. Hewus, M. Gara, P. Ghuman, Satellite-based InSAR monitoring of highway bridges: validation case study on the north channel bridge in Ontario, Canada. Transp. Res. Rec., 2672 (45) (2018), pp. 76-86, 10.1177/0361198118795013
[27] D. Cusson, C. Rossi, I.F. Ozkan, Early warning system for the detection of unexpected bridge displacements from radar satellite data. J. Civ. Struct. Heal. Monit., 11 (1) (2021), pp. 189-204, 10.1007/s13349-020-00446-9
[28] O. Markogiannaki, H. Xu, F. Chen, S.A. Mitoulis, I. Parcharidis, Monitoring of a landmark bridge using SAR interferometry coupled with engineering data and forensics. Int. J. Remote Sens., 43 (1) (2022), pp. 95-119, 10.1080/01431161.2021.2003468
[29] P. Giordano, Z. Turksezer, M. Previtali, M. Limongelli, Damage detection on a historic iron bridge using satellite DInSAR data. Struct. Health Monit., 21 (5) (2022), pp. 2291-2311, 10.1177/14759217211054350
[30] Vilardo, G. & Guido, Ventura & Terranova, Carlo & Matano, Fabio & nardö, Sergio. (2009). Ground deformation due to tectonic, hydrothermal, gravity, hydrogeological, and anthropic processes in the Campania Region (Southern Italy) from Permanent Scatterers Synthetic Aperture Radar Interferometry. Remote Sensing of Environment. 113. 197-212. 10.1016/j.rse.2008.09.007.
[31] Xiaoxuan Yin, M. Sc. & Prof. Dr. Wolfgang Busch: Nutzung der Sentinel-1 Aufnahmekongurationen zur Ableitung von Bodenbewegungskomponenten im Rahmen eines radarinterferometrischen Bodenbewegungsmonitorings. Tagungsband GeoMonitoring 2018.
[32] Ralbovsky Marian, K. M. (2022). VerBewlIng: Bewertung von Ingenieurtragwerken.
Claims (1)
- Patentansprüche1. Verfahren zur Ermittlung der relativen Vertikalverformung Adı,p eines zu untersuchenden Objekts (Ob), insbesondere eines Bauwerks, vorzugweise einer Brücke, innerhalb einer Zeitspanne zwischen zeitlich aufeinanderfolgenden Aufnahmezeitpunkten (tt, t2) basierend auf von zumindest einem Flugobjekt gemessenen Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR-)Daten,- wobei sich das zumindest eine Flugobjekt auf einer Flugbahn in einer Flugrichtung wiederholt in zeitlichem Abstand über das zu untersuchende Objekt (Ob) bewegt und währenddessen entlang einer Blickrichtung (LOS) InSAR-Daten aufnimmt,- wobei basierend auf den aufgenommenen InSAR-Daten Interferogramme erstellt werden, und- wobei zumindest zwei Persistent Scatterer (PS-)Punkte (P1, P2) auf dem zu untersuchenden Objekt (Ob) als Pixel ermittelt werden, die über eine Folge von Interferogrammen kohärent bleiben,umfassend die folgenden Schritte:- Ermitteln der Veränderung der Phase in Blickrichtung (LOS) mit dem zugehörigenEinfallswinkel 8; zwischen der Blickrichtung (LOS) und der Nadirrichtung (Nad) und demzugehörigen Winkel ao zwischen der auf eine horizontale Fläche projizierten Blickrichtung(LOS) und der geographischen Nordrichtung (N) für die zumindest zwei PS-Punkte auf demzu untersuchenden Objekt (Ob) basierend auf zu zumindest zwei Aufnahmezeitpunkten (t,t2) erstellten Interferogrammen,- Ableiten der differenziellen Verformungsänderung Adıos des zu untersuchenden Objekts(Ob) in der Blickrichtung (LOS) des Flugobjekts zwischen den Aufnahmezeitpunkten (t:, t2)basierend auf der ermittelten Veränderung der Phase, insbesondere nach Korrektur vonFehlern bedingt durch Phasensprünge,- Durchführen einer Koordinatentransformation der differenziellen VerformungsänderungAdıos in die Richtung des zu untersuchenden Objekts (Ob), wobei die horizontalenBewegungskomponenten (Ade, Ady) der differenziellen Verformungsänderung Adıos auf dieLängs- und die Querrichtung des zu untersuchenden Objekts (Ob) projiziert werden,insbesondere unter Heranziehung des Winkel ao zwischen der auf eine horizontale Flächeprojizierten Längsachse des Objekts und der geographischen Nordrichtung,- Ermittlung der Temperatur, insbesondere der Temperatur des zu untersuchenden Objekts(Ob), insbesondere als Schätzwert und/oder durch Messung,- Ermittlung der zwischen den Aufnahmezeitpunkten (t;, tz) aufgetretenen relativenDifferenzverformung Adıomg in Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts (Ob) zwischenden, den PS-Punkten entsprechenden, Betrachtungspunkten (P+4, P2) auf dem zu untersuchenden Objekt (Ob) unter Berücksichtigung der ermittelten Temperatur, und- Berechnung der relativen Vertikalverformung Adı, des zu untersuchenden Objekts (Ob) zwischen den Aufnahmezeitpunkten (t1, tz) unter Heranziehung der zuvor ermittelten relativen Differenzverformung Adıona In Längsrichtung und der differenziellenVerformungsänderung Adıos.2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,- dass die zwischen den Aufnahmezeitpunkten (tt, tz) aufgetretene relative Differenzverformung Adr,ans In Querrichtung des zu untersuchenden Objekts (Ob) zwischen den, den PS-Punkten entsprechenden, Betrachtungspunkten (P+, P2) auf dem zu untersuchenden Objekt (Ob) unter Berücksichtigung der ermittelten Temperatur ermittelt wird und- dass bei der Berechnung der relativen vertikalen Differenzverformung Adıp des zu untersuchenden Objekts (Ob) zwischen den Aufnahmezeitpunkten (t+, t2) zusätzlichdie relative Differenzverformung Adrrans in Querrichtung herangezogen wird.3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Temperatur die innere Temperatur des zu untersuchenden Objekts (Ob) gemessenwird.4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Temperatur die Lufttemperatur in Bereich des zu untersuchenden Objekts (Ob) gemessen und/oder aus Wetterdaten abgeleitet wird.5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Temperatur ein empirisches Temperaturmodell zur Ableitung der inneren Temperatur des zu untersuchenden Objekts (Ob) basierend auf Netzwetterdaten herangezogen wird.6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der relativen Differenzverformung Adıona In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts (Ob) die thermische Verformung zwischen den, den PSPunkten entsprechenden, Betrachtungspunkten (P+, P2) auf dem zu untersuchenden Objekt (Ob) unter Berücksichtigung der Temperatur, insbesondere der inneren Temperatur des zu untersuchenden Objekts (Ob), mit einem mechanischen Modell berechnet wird.7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der relativen Differenzverformung Adıong in Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts (Ob) und/oder zur Kalibration des gemäß Anspruch 6 verwendeten mechanischen Modells die Lageverschiebung zwischen den, den PS-Punkten entsprechenden, Betrachtungspunkten (P+, P2) auf dem zu untersuchenden Objekt (Ob) messtechnisch, insbesondere durchLaserdistanzmessung, ermittelt wird.8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ableiten der differenziellen Verformungsänderung Adıos des zu untersuchenden Objekts zur Korrektur von Fehlern bedingt durch Phasensprünge eine Korrektur der Phasenzahl in Blickrichtung (LOS) des Flugobjekts, insbesondere eine Korrektur mit statistischen Methoden, vorzugsweise ein phase unwrapping, für die zumindest zwei PS-Punkte auf dem zu untersuchenden Objekt (Ob) basierend auf zumindest zwei zu annähernd gleichem Aufnahmezeitpunkt, insbesondere entlang derselben Blickrichtung (LOS), aufgenommen InSAR-Datensätzen vorgenommen wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass sich zumindest ein weiteres Flugobjekt auf einer weiteren Flugbahn in einer weiteren, zur Flugrichtung des Flugobjekts entgegengesetzten, Flugrichtung wiederholt in zeitlichem Abstand über das zu untersuchende Objekt (Ob) bewegt und währenddessen entlang einer weiteren Blickrichtung (LOS) InSAR-Daten aufnimmt, und dass zur Korrektur der Phasenzahl in Blickrichtung (LOS) des Flugobjekts für die zumindest zwei PS-Punkte auf dem zu untersuchenden Objekt von dem sich auf der weiteren Flugbahn in der weiteren, entgegengesetzten, Flugrichtung bewegenden weiteren Flugobjekt entlang der weiteren Blickrichtung (LOS) zu annähernd gleichem Aufnahmezeitpunkt aufgenommene InSAR-Daten herangezogen werden.9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Bewegungskomponenten (Ade, Ady) der differenziellen Verformungsänderung Adıos auf die Längs- und die Querrichtung des zu untersuchenden Objekts (Ob) projiziert werden gemäß Adı — Aob)AdrTrans = Adn”sin(da1p — Aop)10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Vertikalverformung Adıp berechnet wird nachAd. — Ad‚ıos + Adıong * COS(AaiD — AXop) * SIn(G;) UP cos(0;)11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Vertikalverformung Adıp berechnet wird nachAd = Adıos + (Adıong * COS(AarLD — Aop) + Adrrans * SIN(AaLD — op) * sin(9;) UP cos(0;)12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Differenzverformung Adıong In Längsrichtung des zu untersuchenden Objekts (Ob) berechnet wird nachAdLong = AL * Op? ATwobei AL der relativen Distanz zwischen den, den PS-Punkten entsprechenden, Betrachtungspunkten (P1, P2) auf dem zu untersuchenden Objekt (Ob), av dem spezifischen Ausdehnungskoeffizient des zu untersuchenden Objekts (Ob) und AT der Veränderung der inneren Temperatur des zu untersuchenden Objekts und/oder der Lufttemperatur im Bereich des zu untersuchenden Objekts (Ob) zwischen den Aufnahmezeitpunkten (t:, tz) entspricht.13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der relativen Differenzverformung Adıeng In Längsrichtung und/oder zur Ermittlung der relativen Differenzverformung AdrT.ars in Querrichtung ein Modell, insbesondere ein Finite-Elemente-Modell, erstellt und die relative Differenzverformung Adıona in Längsrichtung und/oder die relative Differenzverformung Adrtrans IN Querrichtung unter Berücksichtigung des spezifischen Ausdehnungskoeffizient ay des zu untersuchenden Objekts (Ob) und der Veränderung der inneren Temperatur des zu untersuchenden Objekts (Ob) und/oder der Lufttemperatur im Bereich des zu untersuchenden Objekts (Ob) zwischen den Aufnahmezeitpunkten (t;, tz) modelliertwerden.14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Ermittlung der PS-Punkte40 / 47eine Korrektur, insbesondere eine ellipsoidische, topografische, verformungsabhängige und/oder atmosphärische Korrektur, der aufgenommenen InSAR-Daten vorgenommen wird und/oderweitere Signalverarbeitungsschritte auf die erstellten Interferogramme angewandtwerden.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP24175895.2A EP4465090A1 (de) | 2023-05-16 | 2024-05-15 | Verfahren zur ermittlung der relativen vertikalverformung eines zu untersuchenden objekts |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| AT503822023 | 2023-05-16 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| AT527372A2 true AT527372A2 (de) | 2024-12-15 |
| AT527372A3 AT527372A3 (de) | 2024-12-15 |
| AT527372B1 AT527372B1 (de) | 2025-03-15 |
Family
ID=93841351
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ATA50625/2023A AT527372B1 (de) | 2023-05-16 | 2023-08-03 | Verfahren zur Ermittlung der relativen Vertikalverformung eines zu untersuchenden Objekts |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| AT (1) | AT527372B1 (de) |
Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150323666A1 (en) * | 2014-05-09 | 2015-11-12 | Nec Corporation | Change detection device, change detection method and recording medium |
| CN106772377A (zh) * | 2017-01-18 | 2017-05-31 | 深圳市路桥建设集团有限公司 | 一种基于InSAR的建筑物变形监测方法 |
| CN106940443A (zh) * | 2017-01-16 | 2017-07-11 | 洪都天顺（深圳）科技有限公司 | 多云多雨条件下复杂城区基础设施PSInSAR形变估计方法 |
| CN107329140A (zh) * | 2017-07-28 | 2017-11-07 | 安徽威德萨科技有限公司 | 一种路桥整体健康监测方法 |
| DE102016208508A1 (de) * | 2016-05-18 | 2017-11-23 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Winkelreflektorvorrichtung mit einstellbarer Höhenmehrdeutigkeit für SAR-Anwendungen |
| CN107621636A (zh) * | 2017-11-13 | 2018-01-23 | 河海大学 | 一种基于psi的大型铁路桥梁健康监测方法 |
| CN109991601A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-07-09 | 北京东方至远科技股份有限公司 | 一种基于PS-InSAR技术的房屋风险评估方法 |
| CN110174044A (zh) * | 2019-04-16 | 2019-08-27 | 中国矿业大学 | 一种基于psi技术的桥梁纵向位移形变监测的方法 |
| CN110456345A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-11-15 | 深圳市水务规划设计院股份有限公司 | 一种基于InSAR技术的建筑物倾斜监测方法 |
| CN112284332A (zh) * | 2020-08-31 | 2021-01-29 | 北京四象爱数科技有限公司 | 基于高分辨率insar的高层建筑沉降监测结果三维定位方法 |
| CN113093184A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-09 | 电子科技大学 | 一种基于视频合成孔径雷达的干涉测量方法 |
| CN113933832A (zh) * | 2021-10-15 | 2022-01-14 | 云南电网有限责任公司输电分公司 | 基于星载合成孔径雷达干涉技术监测输电杆塔倾斜的方法 |
| CN114706074A (zh) * | 2022-01-06 | 2022-07-05 | 姚鑫 | 一种基于二维观测的地表三维变形InSAR测量方法2T3D-InSAR |
| WO2022214114A2 (zh) * | 2021-08-10 | 2022-10-13 | 中咨数据有限公司 | 融合GNSS数据与InSAR技术的桥梁变形监测方法 |
| CN115494501A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-12-20 | 南宁市勘测设计院集团有限公司 | 基于高分辨率PS-InSAR的城市基础设施形变监测方法 |
| CN113238228B (zh) * | 2021-05-10 | 2023-03-10 | 首都师范大学 | 基于水准约束的三维地表形变获取方法、系统及装置 |
-
2023
- 2023-08-03 AT ATA50625/2023A patent/AT527372B1/de active
Patent Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150323666A1 (en) * | 2014-05-09 | 2015-11-12 | Nec Corporation | Change detection device, change detection method and recording medium |
| DE102016208508A1 (de) * | 2016-05-18 | 2017-11-23 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Winkelreflektorvorrichtung mit einstellbarer Höhenmehrdeutigkeit für SAR-Anwendungen |
| CN106940443A (zh) * | 2017-01-16 | 2017-07-11 | 洪都天顺（深圳）科技有限公司 | 多云多雨条件下复杂城区基础设施PSInSAR形变估计方法 |
| CN106772377A (zh) * | 2017-01-18 | 2017-05-31 | 深圳市路桥建设集团有限公司 | 一种基于InSAR的建筑物变形监测方法 |
| CN107329140A (zh) * | 2017-07-28 | 2017-11-07 | 安徽威德萨科技有限公司 | 一种路桥整体健康监测方法 |
| CN107621636A (zh) * | 2017-11-13 | 2018-01-23 | 河海大学 | 一种基于psi的大型铁路桥梁健康监测方法 |
| CN109991601A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-07-09 | 北京东方至远科技股份有限公司 | 一种基于PS-InSAR技术的房屋风险评估方法 |
| CN110174044A (zh) * | 2019-04-16 | 2019-08-27 | 中国矿业大学 | 一种基于psi技术的桥梁纵向位移形变监测的方法 |
| CN110456345A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-11-15 | 深圳市水务规划设计院股份有限公司 | 一种基于InSAR技术的建筑物倾斜监测方法 |
| CN112284332A (zh) * | 2020-08-31 | 2021-01-29 | 北京四象爱数科技有限公司 | 基于高分辨率insar的高层建筑沉降监测结果三维定位方法 |
| CN113093184A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-09 | 电子科技大学 | 一种基于视频合成孔径雷达的干涉测量方法 |
| CN113238228B (zh) * | 2021-05-10 | 2023-03-10 | 首都师范大学 | 基于水准约束的三维地表形变获取方法、系统及装置 |
| WO2022214114A2 (zh) * | 2021-08-10 | 2022-10-13 | 中咨数据有限公司 | 融合GNSS数据与InSAR技术的桥梁变形监测方法 |
| CN113933832A (zh) * | 2021-10-15 | 2022-01-14 | 云南电网有限责任公司输电分公司 | 基于星载合成孔径雷达干涉技术监测输电杆塔倾斜的方法 |
| CN114706074A (zh) * | 2022-01-06 | 2022-07-05 | 姚鑫 | 一种基于二维观测的地表三维变形InSAR测量方法2T3D-InSAR |
| CN115494501A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-12-20 | 南宁市勘测设计院集团有限公司 | 基于高分辨率PS-InSAR的城市基础设施形变监测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AT527372B1 (de) | 2025-03-15 |
| AT527372A3 (de) | 2024-12-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113096005B (zh) | 一种监测山体现今抬升速度的雷达时序差分干涉测量方法 | |
| CN111078678B (zh) | 一种基于多源信息融合与降尺度的卫星降水数据校正方法 | |
| Casson et al. | Seventeen years of the “La Clapière” landslide evolution analysed from ortho-rectified aerial photographs | |
| Tomás et al. | Monitoring an earthfill dam using differential SAR interferometry: La Pedrera dam, Alicante, Spain | |
| CN114812496B (zh) | 一种基于多源异构数据的区域地面沉降预警方法 | |
| Cascini et al. | Detection and monitoring of facilities exposed to subsidence phenomena via past and current generation SAR sensors | |
| CN107218923A (zh) | 基于PS‑InSAR技术的地铁沿线周边环境历史沉降风险评估方法 | |
| CN106776481A (zh) | 一种作用于卫星降水数据的降尺度校正方法 | |
| Hoppe et al. | Deformation monitoring of posttensioned bridges using high-resolution satellite remote sensing | |
| CN111458709A (zh) | 一种星载雷达广域地表二维形变场监测方法及装置 | |
| CN113238228B (zh) | 基于水准约束的三维地表形变获取方法、系统及装置 | |
| Schlögl et al. | Remote sensing techniques for bridge deformation monitoring at millimetric scale: investigating the potential of satellite radar interferometry, airborne laser scanning and ground-based mobile laser scanning | |
| Zhang et al. | Two-dimensional deformation monitoring for spatiotemporal evolution and failure mode of Lashagou landslide group, Northwest China | |
| Lu et al. | Time series mining subsidence monitoring with temporarily coherent points interferometry synthetic aperture radar: a case study in Peixian, China | |
| Shi et al. | Millimeter slope ratcheting from multitemporal SAR interferometry with a correction of coastal tropospheric delay: a case study in Hong Kong | |
| CH712623B1 (de) | Verfahren zur Bestimmung von Schneeparametern. | |
| Xiang et al. | A real-time processing method for GB-SAR monitoring data by using the dynamic Kalman filter based on the PS network | |
| Huang et al. | Ancient landslide in Wanzhou District analysis from 2015 to 2018 based on ALOS-2 data by QPS-InSAR | |
| AT527372B1 (de) | Verfahren zur Ermittlung der relativen Vertikalverformung eines zu untersuchenden Objekts | |
| EP4465090A1 (de) | Verfahren zur ermittlung der relativen vertikalverformung eines zu untersuchenden objekts | |
| Liu et al. | Multi-dimensional dynamic deformation monitoring of long-span railway bridges using GBIR and IVM data fusion | |
| DE102016107065B3 (de) | Verfahren und System zur Ermittlung von Bewegungen langzeitstabiler Radarstreuer auf einer Oberfläche eines Planeten mittels SAR-Interferometrie | |
| WO2015036590A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zur bestimmung mindestens eines stützpunktspezifischen vertikalen gesamtelektroneninhalts | |
| Spreckels | Multisensor monitoring of ground movements over large areas to conduct the change from the active underground hard coal mining ages to the post-mining era | |
| Li et al. | Monitoring of land subsidence by combining small baseline subset interferometric synthetic aperture radar and generic atmospheric correction online service in Qingdao City, China |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HA | Change or addition of new inventor |
Inventor name: PHILIP LEOPOLD, AT Effective date: 20250331 Inventor name: ALOIS VORWAGNER, AT Effective date: 20250331 Inventor name: MACIEJ KWAPISZ, AT Effective date: 20250331 |