Técnica de Monitoramento InSAR aplicada aos Túneis – Benefícios dos Satélites

por | ago 26, 2020 | Sem categoria

Técnica de Monitoramento InSAR aplicada ao projeto Grand Paris Express – Benefícios dos Satélites

A tecnologia de radar interferométrico de abertura sintética (InSAR) de monitoramento por satélite está sendo cada vez mais utilizada para projetos de construção de túneis devido à sua capacidade de mapear a estabilidade do solo passada e presente com alta precisão através dos alinhamentos dos túneis e da área circundante. O InSAR é útil durante todo o ciclo de vida de um projeto de construção de túnel, desde o planejamento e seleção de rotas, até a construção e operação, pois pode fornecer medições históricas e contemporâneas em todos os estágios.

Para projetos de túneis urbanos, o persistente dispersor InSAR (PSI) é usado para fornecer medições de alta precisão ao longo de vários anos. Ele identifica lugares que refletem de forma confiável e persistente, o sinal de radar de volta ao satélite durante cada órbita. Referidos como dispersores persistentes, esses locais normalmente se correlacionam a estruturas fixas feitas pelo homem, tais como edifícios ou pontes.

 

Nos próximos anos até 2,030, o projeto Grand Paris Express na França colocará em serviço gradualmente 68 novas estações de metrô em 200 km de novas linhas de metrô para expandir o atual sistema de metrô da capital francesa. Como um programa de desenvolvimento urbano sem precedentes, o projeto é um repensar e redesenhar fundamental da rede de transporte público para proporcionar a Paris maior uma solução de transporte multimodal mais integrada.

Desde as primeiras etapas do projeto, a Société du Grand Paris, o órgão público criado pelo governo francês para entregar a visão do Grand Paris Express, deu prioridade a uma estreita vigilância das obras de construção a fim de minimizar qualquer impacto potencial. A concepção e o andamento da construção do projeto são impulsionados pela gestão de riscos e pela redução dos distúrbios nos bairros urbanos.

A solução baseada em satélite mede o movimento no solo através do processamento de imagens de radar de satélite adquiridas sobre a mesma área em diferentes pontos no tempo, foi implementada visando causar menores impactos durante as escavações subterrâneas.

O trabalho de monitoramento começou com um estudo retrospectivo do movimento do solo ao longo da rota de 200 km da rede do Grand Paris Express. O movimento histórico do solo na área foi mapeado e um amplo inventário do comportamento da superfície do solo, de abril de 1.992 a março de 2.015, foi fornecido, oferecendo informações complementares para a identificação de estruturas vulneráveis antes do início de qualquer trabalho. Este mapeamento foi gerado a partir do processamento de imagens arquivadas adquiridas desde o início dos anos 90 até 2.010 por satélites de média resolução operados pela Agência Espacial Europeia, e por imagens de alta resolução capturadas pelos satélites da Agência Espacial Italiana e Alemã para o período mais recente de 20.11 a 2.015.

 

As saídas deste estudo histórico de satélites são dados que podem ser combinados com mapas históricos, e levantamentos geotécnicos convencionais para detectar movimentos no solo devido à evolução das operações e possíveis instabilidades de taludes. Em zonas onde são encontradas argilas, como é o caso de diferentes linhas do projeto Grand Paris Express, isso permitiria a detecção de movimentos do solo causados pelo inchaço das argilas.

 

A análise dos dados históricos e atuais em tempo real, enfoca a amplitude do movimento acumulado ao longo do tempo. Para cada ponto medido, é possível ver em que período os deslocamentos foram iniciados, e se esses deslocamentos estão estabilizados ou ainda ativos. Estas observações são cruzadas com o conhecimento existente a fim de compreender ou administrar melhor a causa do movimento e qualificar seu impacto potencial sobre o projeto no momento da construção do túnel.

 

As atividades de monitoramento continuarão durante todo o projeto para detectar e medir quaisquer deslocamentos do solo na área com o objetivo final de manter os empreiteiros principais plenamente informados sobre o impacto da atividade de escavação subterrânea e de túneis na superfície, e para que as operações sejam adaptadas de acordo.

 

Durante uma sessão técnica do Congresso Mundial de Túneis (WTC) em Dubai, em abril deste ano (2018), foi apresentada uma visão geral da importância da operação de monitoramento por satélite e do trabalho realizado até o momento na seção oeste do projeto da Linha 15.

O InSAR é uma técnica de sensoriamento remoto que proporciona medições confiáveis da superfície do solo ao longo do tempo, com precisão milimétrica, ao longo da “linha de visão” do sensor (LOS).

A InSAR ganhou reconhecimento nos últimos 10 anos, como uma ferramenta para o monitoramento do solo acima dos projetos de construção de túneis, em Londres, particularmente por causa do monitoramento para pós-construção da Extensão da Linha do Jubileu (1.993 a 1.999) e o projeto Crossrail, para o qual foi realizado o túnel entre maio de 2.012 e maio de 2.015, e levou a um acordo claro, alinhando leste-oeste através do centro de Londres.

Embora grande parte da construção do túnel Lee tenha coincidido com a do Crossrail, ele permaneceu em grande parte não relatado, porque é muito mais profundo e estreito, de modo que a deformação superficial associado a ele é muito menos aparente do que a calha da Crossrail. Além do Reino Unido, a InSAR tem sido utilizado notavelmente para monitorar projetos de túneis na China , França , Alemanha, Itália , Países Baixos , Romênia , EUA.

O princípio do InSAR reside na medição da distância entre o satélite e um ponto na superfície da Terra, utilizando as informações da fase de radar. Ao subtrair a distância medida em dois dias diferentes, obtemos informações sobre o movimento do ponto. Entretanto, o método não é tão simples devido a mais causas:

1) a fase é sempre medida no intervalo de (-π,π) radians que corresponde ao período de comprimento de onda do radar, que é sempre na ordem de centímetros ( 3 cm para a banda X, , 5-6 cm para a banda C, > 20 cm para a banda L), portanto as informações detectadas sobre o movimento são sempre menor do que o comprimento de onda e pode ser ambíguo  se o movimento ficar maior na direção da linha de visão do satélite (LOS), a fase da onda do radar salta para outro período. A detecção de tais saltos de fase envolve algoritmos avançados usando um número suficiente de interferogramas, por exemplo, método dos dispersores permanentes (PS-InSAR);

 

2) o satélite está em uma posição diferente em cada data de aquisição (a distância é conhecida como base espacial/perpendicular), e a diferença de fase é influenciada pelo produto da linha de base, e a altura do ponto na superfície terrestre (ou a diferença entre a altura real e a modelada). Assim, é necessário distinguir entre contribuições de fase devido ao movimento físico do ponto observado e devido à estereoscopia , efeito da diferença de altura (isso muitas vezes é possível precisamente usando o PS-InSAR);

 

3) o raio radar pode se atrasar durante sua passagem pela atmosfera, e a diferença de atraso entre diferentes partes da construção monitorada pode ser alto o suficiente para ser confundido com deformação em alguns casos;

 

4) o sinal de radar recebido pelo satélite é a soma da reflexão de todos os dispersores dentro de uma célula de resolução, que varia geralmente entre 1×1 m (por exemplo, TerraSAR-X) a 25×5 m (por exemplo, Envisat) ou mais. Se a célula inteira se mover uniformemente (idealmente junto com as células de resolução ao redor), a deformação pode ser monitorada, mas se a estrutura da resolução muda entre duas datas de aquisição (vegetação, solo arado, etc.), o pixel não contém uma informação útil (isto é conhecido como decorrelação ou baixa coerência).

Devido ao menor comprimento de onda e, portanto, melhor precisão, as construções feitas pelo homem são de preferência monitoradas com dados da banda X ou da banda C. No entanto, a inclinação vegetativa ou o solo arado podem ser monitorados com a banda L, já que os raios de radar da banda L penetram através da parte inferior da vegetação para alcançar o solo. A metodologia PS-InSAR é baseada no processamento de um conjunto de dados (pelo menos 20 cenas são recomendadas) e, a partir dele, a taxa de deformação linear é estimada juntamente com a mudança de altura (com respeito a um modelo de elevação digital externa usada – DEM) e possivelmente com outros efeitos, tais como dilatação devido a mudanças de temperatura, ou movimento devido a mudança de nível de água. As contribuições de fases não modeladas são consideradas como ruído de fase e diminuem a estimativa coerência (qualidade) do ponto observado, conhecido como ponto PS.

Deve-se observar que o radar mede apenas o movimento em seu LOS e não é possível para obter um vetor de movimento 3D. Se duas pistas de satélite diferentes forem usadas para monitoramento,teoricamente, é possível obter um vetor de movimento 2D, porém, geralmente, a precisão em cada componente é diferente; a viabilidade depende da configuração das duas pistas e também sobre a visibilidade da construção em cada um deles. Se um movimento é conhecido por ser vertical, é possível converter o movimento LOS em vertical (a sensibilidade é geralmente cerca de 90%, ou seja, a InSAR detecta 90% do movimento vertical real). Se for conhecido que é horizontal, é possível ser convertido em horizontal se a direção do movimento for conhecida.

A sensibilidade dos movimentos horizontais, no entanto, é de apenas até aproximadamente 30%, dependendo do ângulo entre o raio de radar e a direção do movimento.

Informações / Serviços e Consultoria Monitoramento por Satélites – Eng.Ricardo Pantoja – contato@pantojaindustrial.com