Účel a poslání projektu

Využití pozemního InSAR v geodetických pracích je v posledních málo letech velmi slibnou technologií, obzvláště v oblasti určování deformací velkých stavebních objektů. Nejsou ovšem dostatečné vyvinuty a známy metodiky práce ani technologické postupy. Tato zcela nová měřící technika bude podrobena výzkumu za účelem vytvoření potřebných metod měření včetně zpracování výsledků a technologických postupů řešení obvyklých úloh. Přitom výsledky budou poskytnuty prostřednictvím on-line dostupného zabezpečeného expertního systému obsahujícího i potřebné výpočetní, zpracovatelské a vizualizační nástroje. Účelem z hlediska programu je tedy vývoj a zpřístupnění nových progresívních výkonnějších technologií s cílem dosažení vyšší konkurenceschopnosti prostřednictvím vyšších parametrů přesnosti, kvality a rychlosti. Současné se jedná též o poskytnutí maxima relevantních informací a nástrojů k efektivnímu využívání nových technologií

Hlavní přínos projektu

Sledováním rizikových objektů a lokalit lze předcházet následkům živelných a přírodních pohrom, např. protržení hrází přehrad, zhroucení stavebních objektů (dopravní mosty, opěrné zdi, chladící věže) a následným ztrátám ekonomickým a na životech, které mohou být obrovské. Hlavní přínos projektu proto není možné lehce ekonomicky vyčíslit. Následný celospolečenský přínos plynoucí z výsledků sledování rizikových objektů a lokalit a zvýšení bezpečnosti jejich provozu však bude neporovnatelné vyšší

Konečný cíl projektu

Hlavním cílem projektu je vytvoření expertního systému, s jehož pomocí bude možno efektivně používat metodu pozemní radarové interferometrie (InSAR) v především české měřické geodetické praxi za účelem analýzy deformací důležitých stavebních objektů, přírodních útvarů a rizikových lokalit (např. přehradní hráze, dálniční mo¬sty, opěrné stěny zářezů, chladicí věže, skalní masivy, svahy ohrožené sesuvy, erozní oblasti apod.). Navrhovaný expertní systém bude obsahovat tři základní složky:

  1. soubor metodických a technologických postupů pro monitorování rizikových objektů nebo lokalit metodou InSAR,
  2. systém výpočetních webových aplikací pro zpracovávání naměřených pozemních InSAR dat, pro vizualizaci výsledků a pro jejich zpřístupnění na Internetu,
  3. vzorová data pořízená na zkušebních objektech nebo lokalitách a výsledky jejich zpracování ve formě vzorových analýz deformací.

Úvod do projektu

Analýza deformací rizikových objektů a lokalit slouží jako podklad pro rozhodování nějaké zodpovědné autority (např. krizový štáb ohrožené oblasti, vlastník podmáčeného či poddolovaného pozemku, vlastník, investor či uživatel narušené stavby apod.). Toto rozhodování zpravidla spočívá ve výběru jedné z několika nežádoucích variant. Kvalifikované rozhodování musí zohledňovat nejen negativní dopady jednotlivých variant, ale též rizika jejich uskutečnění. Mírou negativity dopadu nějaké nežádoucí události bývá materiální ztráta vyčíslená v penězích, příp. počet ohrožených lidí, mírou rizika je vždy pravděpodobnost výskytu nežádoucí události. Odhad této pravděpodobnosti je velmi problematický, neboť většinou není k dispozici dostatek objektivních údajů, které by umožnily tuto pravděpodobnost spolehlivě vyčíslit. Hlavním požadavkem kladeným na řešení problematiky deformací rizikových objektů a lokalit je tedy maximalizace objemu relevantních objektivních informací, které přispívají ke spolehlivému odhadu pravděpodobnosti nežádoucích událostí. Díky spolehlivé znalosti možných rizik různých krizových scénářů lze kvalifikovaně posoudit jejich závažnost a včasným varováním minimalizovat případné negativní dopady na majetek a zdraví lidí. Nikdy nemůžeme mít jistotu, že nějaká nežádoucí událost nenastane, ale můžeme objektivně prokázat, že jsme udělali maximum pro to, aby nenastala.

Současný stav znalostí v oblasti technologie pozemního InSAR

Analýza deformací je založena na vyhodnocení změn polohy vybraných bodů prostorového objektu, které byly zaměřeny v několika následných etapách. K určení změn prostorové polohy bodů se v současné době začíná používat pozemní radarová interferometrie (InSAR), která je mnohem efektivnější než tradiční geodetické nebo fotogrammetrické měření. Radarová interferometrie umožňuje sledovat objekt v reálném čase jako celek. Je možno sledovat jak krátkodobé deformace způsobené např. dopravou, tak i dlouhodobé pohyby. Přitom je možné objekt sledovat (se zvolenou frekvencí sběru dat) prakticky nepřetržitě i v řádu měsíců a vyhodnotit deformace s přesností až jedné desetiny milimetru.

Technologie InSAR je založena na interferenci radarových signálů a již téměř dvě desetiletí je hojně využívána v dálkovém průzkumu Země. Kvůli nedostatku přístrojů a poměrně vysoké náročnosti zpracování měření byla pozemní radarová interferometrie nicméně ještě donedávna spíše výjimečnou záležitostí. Před několika lety se ale objevily první komerčně dostupné aparatury pro pozemní interferometrii (v Evropě je to IBIS italské firmy IDS a interferometr švýcarské firmy Gamma). To spolu s rozvojem výpočetní techniky způsobilo značný nárůst zájmu o tuto technologii. Stále častěji je radarová interferometrie využívána pro měření stability a deformací různých objektů od dopravních a průmyslových staveb jako mosty a přehrady až po historické památky.

Z oblasti družicových radarů jsou dobře rozpracovány teoretické základy radarové interferometrie. Použitelnost metody je dokumentována mnoha studiemi srovnávajícími radarovou interferometrii s klasickými metodami (jako GPS měření, měření pomocí akcelerometrů apod.) - viz například práce prof. Baluta a jeho kolegů z AGH Krakow. Přesto se jedná ještě o mladou metodu, která teprve hledá optimální postupy a metodologie měření a především zpracování a prezentace výsledků. Právě tím se v současnosti zabývají výzkumné instituce ale i soukromé firmy v zahraničí. V Polsku je to např. tým profesora Adama Baluta na AGH Krakow, který se zabývá hlavně využitím InSAR pro monitoring mostů. S aparaturou IBIS-S dosahují velmi dobrých výsledků při dynamických i statických testech i při zjišťování vlastních vibrací mostů. Kromě mostů se prof. Balut zabývá i sledováním konstrukcí větrných elektráren a přehradních hrází (u hrází využívají IBIS-L aparaturu, která je pro toto měření vhodnější). Přestože hlavní náplň jejich práce tvoří výzkumná činnost, poskytují některé služby i komerčně.

Široké portfolio služeb zahrnujících též monitoring mostů, přehrad, ale i přírodních útvarů jako nestabilních svahů apod. nabízí italská firma NHAZCA vzniklá jako odnož univerzity Sapienza Università di Roma. Stejně jako polský tým používá NHAZCA aparaturu IBIS.

Švýcarská firma Gamma vyrábí vlastní radarový interferometr. Kromě toho nabízí software pro zpracování radarových dat (pro pozemní i letecké radary) a školení v ovládání jejich produktů.
Německá firma DMT využívá radarové interferometrie k monitorování stability svahů v povrchových dolech.

O významu této technologie pro budoucnost svědčí i skutečnost, že Mezinárodní federace zeměměřičů (FIG - International Federation of Surveyors) na svém XXXIV General Assembly 18. až 22. května 2011 v Maroku ustanovila v rámci své 6. komise „Engineering Surveys“ novou studijní skupinu „Study Group 6.2.3 Ground Based Synthetic Aperture Radar“, jejímž předsedajícím je Prof. Alessandro Capra z Italské univerzity „Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia“
(http://www.fig.net/admin/ga/2011/agenda/app_17_06_wp_comm_06_2011_2014.pdf).

V České republice se pozemní radarovou interferometrií dosud nikdo nezabývá a případní zájemci o využití této technologie tak musí vyhledat služby zahraničních firem.

Začlenění technologie pozemního InSAR do navrhovaného technologického postupu analýzy deformací způsobí větší rozšíření této progresivní technologie v České republice a zvýší tak konkurenceschopnost českých geodetických firem vůči zahraničním.
Předmětem tohoto projektu je výzkum za účelem rozvoje technologií pozemního InSAR. Předmětem projektu není výzkum družicového (satelitního) InSAR.

Podstata navrhovaného řešení

Výše zmíněný hlavní požadavek na řešení projektu, tzn. maximalizace objemu relevantních objektivních informací, které přispívají ke spolehlivému odhadu pravděpodobnosti výskytu nežádoucích událostí, může být splněn za předpokladu dodržení následujících principiálních aspektů řešení:

  1. využití technologie InSAR pro sběr prostorových dat až na samou hranici jejích možností,
  2. využití pokročilých metod statistického zpracování naměřených dat,
  3. využití moderních způsobů poskytování nástrojů pro zpracovávání naměřených dat a následné prezentace výsledků zpracování.

Dílčí cíl projektu v roce 2014

Cílem třetí etapy je implementovat navržené algoritmy jako webové aplikace a zahrnout je do postupně budovaného expertního systému. Dále bude vyvinuto grafické rozhraní pro vizualizaci výsledků analýzy deformací formou 3D modelů s texturou povrchu. Do expertního systému bude začleněn modul grafické vizualizace a zahrnuty dříve vytvořené technologické postupy doplněné o interaktivní nápovědu.