Monitoring of bridges based on satellite InSAR data

The increasing demand for transportation, the ageing of materials, and the growing frequency of extreme events driven by climate change pose significant threats to the functionality and integrity of bridges. As critical components of infrastructure, bridges play a fundamental role in supporting economic and social systems. Timely and effective management is therefore essential to extend their service life, ensure user safety, and prevent severe consequences. Traditional Structural Health Monitoring (SHM) systems rely on the installation of on-site sensors to collect real-time data for damage detection. However, the high costs and logistical challenges associated with installation, maintenance, and data management hinder their widespread adoption. As an alternative, Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) offers a cost-effective solution for large-scale infrastructure monitoring. Since InSAR provides displacement measurements along the satellite Line-of-Sight (LOS), data from multiple satellite orbits are required to reconstruct the structural behaviour. Consequently, appropriate spatial and temporal resampling techniques are necessary to ensure data consistency. This thesis investigates the feasibility of using InSAR for bridge monitoring, with a focus on evaluating two spatial resampling methods: grid-based subsampling and kriging interpolation. Two case studies are presented. The first examines the Palatino Bridge in Rome using data from the European Ground Motion Service (EGMS) and the COSMO-SkyMed (CSK) constellation by the Italian Space Agency (ASI). The effectiveness of area averaging and kriging interpolation techniques is assessed, and InSAR data are further analysed to explore the influence of environmental factors on structural displacement. A comparison between the EGMS and CSK products is also provided. The second case study focuses on the Po River Viaduct along the A21 highway. Using EGMS data, the performance of the resampling methods is again evaluated, with particular attention to the effects of water level variation on displacement patterns. Through these two case studies, this work demonstrates the potential of InSAR as a valuable tool for structural monitoring. Findings indicate that kriging interpolation does not lead to significant improvements over simpler methods. Nonetheless, the results confirm the reliability of InSAR for tracking bridge behaviourand reinforce its role as a complementary approach to traditional SHM systems.

L’aumento della domanda di trasporto, l’invecchiamento dei materiali e la crescente incidenza di eventi estremi legati ai cambiamenti climatici rappresentano fattori di rischio significativi per la funzionalità e l’integrità dei ponti. In quanto infrastrutture strategiche, i ponti rivestono un ruolo fondamentale nei sistemi economici e sociali. Ne consegue la necessità di una gestione tempestiva ed efficace, finalizzata a prolungarne la vita utile, garantire la sicurezza degli utenti e prevenire conseguenze critiche. I metodi tradizionali di Structural Health Monitoring (SHM) si basano sull’installazione di sensori in situ per l’acquisizione di dati in tempo reale, utili all’identificazione di eventuali danni strutturali. Tuttavia, i costi elevati e le complessità legate all’installazione, alla manutenzione e alla gestione dei dati ne limitano l’applicazione su scala estesa. In questo contesto, l’Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) si configura come una soluzione economicamente vantaggiosa per il monitoraggio di infrastrutture su larga scala. Poiché le misure InSAR forniscono spostamenti lungo la Linea di Vista (Line-of-Sight, LOS) del satellite, è necessario disporre di dati provenienti da orbite diverse per ricostruire il comportamento strutturale tridimensionale. Di conseguenza, l’impiego di tecniche di ricampionamento spaziale e temporale risulta fondamentale per garantire l’accuratezza e la coerenza delle analisi. Il presente lavoro analizza la fattibilità dell’impiego della tecnica InSAR per il monitoraggio dei ponti, con particolare attenzione alla valutazione comparativa di due approcci di ricampionamento spaziale: il sottocampionamento su griglia e l’interpolazione mediante kriging. Sono stati analizzati due casi studio. Il primo riguarda il Ponte Palatino a Roma, per il quale sono stati utilizzati dati provenienti dal servizio European Ground Motion Service (EGMS) e dalla costellazione COSMO-SkyMed (CSK) dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). Sono state confrontate le prestazioni delle tecniche di media areale e kriging, ed è stata inoltre condotta un’analisi degli effetti dei fattori ambientali sugli spostamenti strutturali. È stata infine effettuata una valutazione comparativa tra i prodotti EGMS e CSK in termini di accuratezza e coerenza. Il secondo caso studio analizza il Viadotto sul fiume Po lungo l’autostrada A21, attualmente oggetto di interventi di manutenzione. Anche in questo caso, è stata valutata l’efficacia delle due tecniche di ricampionamento, con particolare attenzione all’influenza delle variazioni del livello idrico sui pattern di spostamento. Sulla base dei due casi studio, il lavoro conferma il potenziale dell’InSAR come strumento affidabile per il monitoraggio del comportamento strutturale dei ponti. I risultati evidenziano che l’interpolazione kriging non comporta miglioramenti significativi rispetto a metodi più semplici. Tuttavia, l’InSAR si dimostra una tecnologia efficace e complementare ai metodi SHM tradizionali, particolarmente adatta per applicazioni su scala territoriale.