Use of SAR satellite data in bridge structural health monitoring

Many bridges in Italy have already reached, or are even beyond, their design service life and are often subjected to degradation due to aging, fatigue and aggressive environment. Insufficient maintenance interventions joint to increased traffic loads with respect to the design values, often accelerate deterioration due to aging and fatigue. Not least, more intense and frequent natural events related to climate change create increased hydraulic stresses and scour phenomena for river bridges. Visual inspections are traditionally used to collect information about the bridge conditions and to support the planning of maintenance interventions. Structural health monitoring techniques, less frequently adopted to support maintenance, are usually based on contact sensors installed on each bridge. In the last years radar sensors installed on satellites have been increasingly used to monitor large scale phenomena such as for example subsidence of the soil. More recently several research groups started to investigate the use of remote sensing for damage detection in civil infrastructures. This technique presents in principle several advantages, not least the possibility to monitor a network of several structures using the same sensor. Satellite measurements could be used to build a pre-screening to select possibly damaged bridges that can be later assessed in detail. The practical implementation of this technique for damage detection purposes is still at its infancy and, to my best knowledge, a very limited number of applications can be found in literature. The goal of the thesis is to investigate the feasibility of using InSAR data to identify structural damage in bridges. Data measured by radar satellites with different spatial and temporal resolutions and different radar bands are processed to extract bridge displacements and analyzed to identify possible structural damage. In this thesis two different InSAR techniques, namely SqueeSAR and PSInSAR, are used to extract displacement time histories from SAR images and displacements are then processed for damage detection purposes. The methodology is applied to a number of case studies in Lombardia. Both riverine bridges in the Mantua region and bridges overpassing roads and railways in Milan have been considered in order to investigate different types of possible degradation such as aging, soil settlement and damage induced by hydraulic phenomena such as scour. For the case studies in Milan, results retrieved from two different radar satellite datasets (TerraSAR-X and RadarSAT 1-2) are compared. The two sets of data are characterized by different spatial and temporal resolution and different radar band and they are processed using the SqueeSAR technique. For the riverine bridges overpassing the Po river in the Mantua region, data from Sentinel-1 satellite are processed using a free and open source software (SNAP and StaMPS). Displacement time histories extracted from high resolution SAR data relevant to a period of about 10 years have been analyzed and interpreted to verify their capability as damage detecting features. Results show that high resolution radar data enable the detection of very small structural displacement due to environmental changes such as temperature variation. These displacements are consistent with the structural configuration of the bridge. Low resolution SAR data offer more limited information that however highlight phenomena involving larger portion of the ground – such as rigid displacements of the bridge together with the underlying soil - hardly identifiable with other sensing devices.

La maggior parte dei ponti italiani ha superato o è prossima al superamento del periodo per cui erano stati progettati e costruiti. I ponti sono soggetti ad invecchiamento e deterioramento a causa dell’ambiente circostante. Gli insufficienti interventi di manutenzione, congiuntamente all’aumento del traffico stradale rispetto ai valori per cui erano stati progettati, contribuiscono al peggioramento dello stato di salute dei ponti. Non in ultimo, l’aumento della frequenza e dell’intensità dei fenomeni naturali, connessi al cambiamento climatico, portano all’incremento delle azioni idrauliche e dei fenomeni di erosione per i ponti fluviali. Le ispezioni visive sono attuate per controllare le condizioni di salute dei ponti e in appoggio agli interventi di manutenzione. Inoltre, le tecniche per il controllo dello stato di salute, sempre meno effettuate in supporto alla manutenzione, sono basate su misure in loco tramite l’utilizzo di strumenti posizionati sull’infrastruttura. Negli ultimi anni i sensori radar sono stati montati sui satelliti per monitorare fenomeni a larga scala come la subsidenza del suolo. Solo recentemente il telerilevamento tramite microonde è stato applicato allo studio di infrastrutture civili probabilmente danneggiate. Questa tecnica presenta molteplici vantaggi tra cui la capacità di controllare più infrastrutture con lo stesso sensore. Le misurazioni satellitari potrebbero essere utilizzate per realizzare uno screening preliminare per la selezione dei ponti potenzialmente danneggiati che potrebbero essere successivamente esaminati in dettaglio. Questa metodologia è ai primi passi nel determinare la presenza di danni in quanto, sulla mia modesta conoscenza, poche applicazioni sono presenti in letteratura. L’obiettivo della tesi è investigare la fattibilità della tecnica InSAR nell’identificare danni strutturali nei ponti. I dati misurati, che vengono acquisiti dai satelliti radar che sono diversi in risoluzione spaziale e temporale e nella banda radar stessa, sono processati per ottenere spostamenti relativi ai ponti ed analizzare, successivamente, il possibile danno strutturale legato a quest’ultimi. Nel corso della tesi vengono affrontate due tecniche di processamento InSAR: SqueeSAR e PSInSAR. Queste permettono di passare dal dato interferometrico allo spostamento e, solo successivamente, alla valutazione sullo stato di salute del ponte. La capacità di individuare danni, legati al deterioramento, alla subsidenza del suolo ed indotti da fenomeni idraulici, è investigata per diversi ponti sul territorio lombardo. Per l’area di Mantova sono stati selezionati ponti che attraversano il fiume Po, mentre per l’hinterland milanese ponti veicolari e ferroviari. Per i ponti nell’area di Milano sono stati confrontati i risultati rilevati dai satelliti radar TerraSAR-X e RadarSAT 1-2, che hanno caratteristiche diverse in termini di risoluzione spaziale e temporale e della banda radar in azione. Entrambi i datasets sono stati processati dalla tecnica SqueeSAR. Per i ponti fluviali nella provincia di Mantova si è preferito usare dati gratuiti di Sentinel-1 che sono stati processati con software free e open source (SNAP e StaMPS). In 10 anni di acquisizione satellitare sono stati analizzati gli spostamenti provenienti da immagini radar ad alta risoluzione spaziale in modo tale da ottenere informazioni sullo stato di salute dei ponti. I risultati permettono di misurare movimenti millimetrici che sono coerenti con la configurazione strutturale del ponte e che sono dovuti a fenomeni fisici come la variazione di temperatura. Invece, la successione degli spostamenti relativa ai dati satellitari a bassa risoluzione spaziale offrono informazioni più limitate; comunque, permettono di individuare spostamenti di aree vaste, quali i movimenti rigidi del ponte insieme al terreno sottostante, che non potrebbero essere misurati con altre strumentazioni.