Nytt sykehus i Drammen. Setningsanalyse med InSAR

Transkript

1 Prosjekt: Nytt sykehus i Drammen Tittel: Setningsanalyse med InSAR 02 FOR BRUK PAP LIER BH 01 UTKAST INTERNGRANSKNING PAP LIER BH Rev. Beskrivelse Rev. Dato Utarbeidet Kontroll Godkjent Kontraktor/leverandørs logo: Bygg nr: Etasje nr.: Systemgr.: Antall sider: Side 1 av 19 Prosjekt: Kontrakt nr: Fag: Dok.type: Løpenr: Rev.nr.: Status: NSD 8202 G RA G

2 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 2 av 19 Innholdsfortegnelse 1 Innledning InSAR Metodikk Initiell analyse Nøyaktighet Sentinel programmet Inndeling i fokusområder Identifikasjon av interesseområder Arbeidsområde Delområde Interessepunkt i arbeidsområde Delområde Interessepunkt i arbeidsområde Delområde Interessepunkt i arbeidsområde Delområde Interessepunkt arbeidsområde

3 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 3 av 19 1 Innledning I forbindelse med utbyggningen foreligger det klare geotekniske utfordringer. I de senere årene har en ny geofysisk metode vunnet mark, der setningsmålinger med fjernmåling kan gi nyttig bakgrunnsinformasjon. Metoden, kalt InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) begynte sin utvikling i USA så tidlig som Det er derimot i de senere årene man har fått tilstrekkelig med satellittbåren radar for å fremskaffe data kombinert med regnekraft til å kunne utvikle metodikk for å tolke de massive datamengdene som kommer fra målingene. Med en forståelse av hvordan marken beveger seg kan man øke treffsikkerheten i geotekniske undersøkelser og redusere den globale geotekniske risikoprofil i prosjektet. Målinger kan deretter korreleres og suppleres med ytterligere fjernmålinger. 1.1 InSAR Det finnes i dag flere satellitter som har radarutrustning som kan benyttes til InSAR. I de senere årene har regjerningene i Europa, gjennom ESA, fått fart på utviklingen med å skyte opp flere satellitter i Sentinel-programmene. Sentinel-1 dekker nå hele Europa hver 6. dag, og data er fritt tilgjengelig. Dataene kan analyserers ved at man analyserer faseenderinger mellom radarmålingene. Siden hele dataserien per i dag er tilgjengelig kan man hente ut historikk helt tilbake til januar Radarsignalene fungerer best på harde overflater som infrastruktur og stenfyllninger. Vann og snø absorberer signalene, og vegetasjon kan forstyrre analysen. 2 Metodikk For NSD er det i første omgang aktuelt å etablere en forståelse for området. I denne sammenhengen fungerer Sentinel-1 utmerket. Man kan etablere en grunnforståelse for hvilke prosesser som er underveis på en økonomisk måte, uten å benytte lengre tid på målekampanjer. Arbeidsgangen i analysene er som følger; 1. Initiell analyse som gir bakgrunnsdata 2. Fokus på hvert enkelt område med terskelverdier for å fremheve anomaliteter 3. Identifikasjon av interesseområder for fremtidig overvåkning

4 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 4 av Initiell analyse Den intitelle analysen tar utgangspunkt i all tilgjengelig data. Satellittbildene kompileres i en modell, hvorpå de analyseres i proprietær programvare. For denne analysen er GSAR benyttet, som bygger på SBAS eller Small BASelines (Berardino et al. 2002). Andre metoder er PSI (Persistent scatterer interferometry, Ferretti et al. 2001) og SqueeSAR (Ferretti et al. 2011). Analysemetodene har ulike algoritmer med målsetningen å øke treffsikkerheten ved å separere ut støy og fortyrrelser. Om signalstyrken fra et punkt er stadig kan man forenklet si at punktet har en høy koherens og dermed kan bevegelsen forventes være korrekt. Bevokste overflater vil typisk ha lav koherens da plantene vokser i måleperioden, grener kan bøyes i vind etc etc. Punkt med lav koherens filtreres ut for å unngå falsk basis i datagrunnlaget. Resultatet blir en punktsverm for området som gir et troverdig grunnlag for videre analyse. Figur 1 Prinsippskisse. Om overflaten beveger seg fra grønn posisjon till rød vil avstanden til satellitten øke. Den nøyaktige avstanden kan bestemmes ved å se på fasen i signalet som kommer tilbake. Figur 2 Faseforskyvning. (Wikipedia commons). For Sentinel er bølgelengden I C-båndet med en L=37,5-75 mm. Bevegelsene relateres til et nullpunkt i satellittbildet som antas være stabilt gjennom hele måleperioden. Oftest vil disse punktene være på infrastruktur fundamentert på fast fjell. Denne relateringen av bevegelse eliminerer faktorer som landhevning da punktet oftest ligger noen få kilometer unna.

5 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 5 av Nøyaktighet Grunnet målingen av faseforskyvningen ovenfor er metoden meget nøyaktig. I realiteten vil man få en spredning i dataserien som illustrert under. Figur 3 Eksempel på spredning (s.k. scatter) i dataseriene. Grått viser 95% konfidensintervall. Årsakene til dette er flere, noen kan være; 1. Atmosfæriske effekter som gir forsinkelse i signalet fra bakken til satellitten. Dette er en av de største feilkildene i InSAR, og moderne InSAR metoder benytter derfor en lang rekke målinger (over tid) for å minimere denne effekten. 2. Endringer i terrenget som skyldes f.eks. snø om vinteren, endret fuktighet i bakken, endringer i vegetasjon, osv. Moderne InSAR metoder søker opp de piksler på bakken som har god koherens over tid. Av denne årsaken bør man se på trender og søke støtte i flere punkt. Ved etablering av en lengre tidsserie kan man forvente presisjon ned mot noen mm/år (for lineære trender) med ca. 5 mm standardavvik for et enkelt punkt i tidsserien.

6 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 6 av 19 For kritiske punkt bør man kontrollere mot omkringliggende punkt eller gjøre en fysisk kontroll. Ved å sette opp reflektorer i fysiske punkt kan man eliminere feilkilder og få et fysisk punkt som observasjonen låses til. Punktet er et absolutt georefererbart punkt som dermed kan kontrollmåles med nivellement eller gps i realtid. Figur 4 Eksempel på kontrollert tidsserie med reflektor. Det er verd å merke seg at en reflektor kan gi økt frekvens på dekningen da den er synlig for flere satellittbaner. Figur 5 Eksempel på reflektor med (Foto: Norut).

7 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 7 av Sentinel programmet Sentinel-prgrammet er en del av ESAs (European Space Agency) satsning på jordobservasjon, der setningsmålinger med InSAR er en del av arbeidsoppgavene til Sentinel-1 satellittene. Figur 6 Sentinel-1, fire ulike roller. For geotekniske studier er det bred inferometrisk modus som er interessante med 5 x 20m oppløsning. Siden starten i 2015 er satellittene kalibrert og oppgradert, noe man kan se i nøyaktigheten i datasettene. Programmet har budsjett ut 2022.

8 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 8 av Inndeling i fokusområder Etter den initielle analysen har man flere tusen punkt som viser forskjellige grader av bevegelse. For å unngå at store bevegelser drukner andre bevegelser av interesse deles arbeidsområdet inn i delområder, som vist i kapittel 3. Inndelingen kan skje basert på observerte bevegelser, bruksområder eller med bakgrunn i andre parametre som grunnforhold etc. I dette tilfellet er delområdene identifisert av geoteknikere basert på bruksområder og historikk. 2.5 Identifikasjon av interesseområder Innenfor hvert fokusområde kan man lettere identifisere avvikende bevegelser. Der dette forekommer flagges dette for oppfølgning. Avvik kan skje gjennom geomorfologiske prosesser som synkehull, endringer i grunnvannsspeilet, grunnet byggeaktivitet i området etc. Der ingen opplagte forklaringer foreligger kan man foreta geotekniske markundersøkelser eller installere geotekniske måleinstrument avhengig av behov og muligheter.

9 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 9 av 19 3 Arbeidsområde Analysen dekker Brakerøya og går nord om motorveien. Figur 7 Arbeidsområde. Da området er fullt av bebyggelse og infrastruktur er det, som forventet, god tetthet av målepunkter i hele arbeidsområdet. Data for analysen fra januar 2015 frem til oktober I den senere delen av måleserien er tidsoppløsningen mellom punktene 6 dager.

10 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 10 av 19 For å videre katagorisere analyseområdet er arbeidsormrådet delt inn i fire deler, som vist under Figur 8 Inndeling i fire karakteristiske delområder. Delområdene dekker følgende; 1. Kulvert under jernbanen, gang og sykkel-kulverter 2. Område for flomsikker adkomst 3. Hovedområde for sykehusbyggene 4. Omlegging av Nøstebekken og mellomlagring I analysen er setning vist som minus (rødt) mens pluss (blått) viser områder som hever seg. 1 3

11 SETNING HEVNING Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 11 av Delområde 1 ip: 1-1 ip: 1-2 I hovedsak er området stabilt, med noen unntak som vist under.

12 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 12 av Interessepunkt i arbeidsområde 1 Figur 9 Interessepunkt 1-1, gamle motorveibro. Tidsserien viser relativt lite bevegelse. Figur 10 Interessepunkt 1-2 jernbanefylling. Traseen ligger relativt stabilt, men man kan se en tendens til sesongbaserte bevegelser.

13 SETNING HEVNING Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 13 av Delområde 2 ip: 2-2 ip: 2-1 I området finnes det noen punkt som indikerer bevegelse innen mindre områder.

14 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 14 av Interessepunkt i arbeidsområde 2 Figur 11 Interessepunkt 2-1. Område ved Terminalveien. I hovedsak stabilt, men som illustrert finnes det en del avvik som kan skylles masseforflytning eller annet. Figur 12 Interessepunkt 2-2. Punkt på Strandbrua viser mindre bevegelser.

15 SETNING HEVNING Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 15 av Delområde 3 ip: 3-2 ip: 3-1 ip: 3-3 ip: 3-4 Området for sykehusbyggene er i stort sett stabilt, men har også deler med delvis store setninger -spesielt i de østre delene av området-

16 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 16 av Interessepunkt i arbeidsområde 3 Figur 13 Interessepunkt 3-1. Eksempel på lokalt avvik som bør kontrolleres. Figur 14 Interessepunkt 3-2, viser setninger i området som har benyttes som massedeponi.

17 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 17 av 19 Figur 15 Interessepunkt 3-3 demonstrerer en stabilisering uten setninger. Figur 16 Interessepunkt 3-4. Anomalitet som ikke har støtte i omkringligende punkt.

18 SETNING HEVNING Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 18 av Delområde 4 ip: 4-1 ip: 4-2 Selv om området i sin helhet tydlig setter seg, er det også unntak som viser tegn på hevelse. Forklaringen til dette kan være at området ble benyttet som massedeponi.

19 Tittel: Setningsanalyse med InSAR Side: 19 av Mellom 2006 og 2009 kan man se at en betydelig oppfyllning har skjedd. Figur 17 Flybilder som viser omfang av fyllning. På det venstre fra 30/6/2006 er området plant. Det høyre fra 1/5/2009 viser et betydelig massedeponi. 2. Ved neste oppdatering 14/9/2014 er massene flyttet. Avlastningen kan i stor grad forklare hevningen som kan observeres med satellittmålingene Interessepunkt arbeidsområde 4 Figur 18 Interessepunkt 4-1. Store setninger sentralt i området. Punktet ligger nær interessepunkt 3-2 og har samme trend. Figur 19 Interessepunkt 4-2. Viser hevning etter avlastning.