Combined use of GPR and Other NDTs for road pavement assessment: an overview

Roads are the main transportation system in any country and, therefore, must be maintained in good physical condition to provide a safe and seamless flow to transport people and goods. However, road pavements are subjected to various defects because of construction errors, aging, environmental conditions, changing traffic load, and poor maintenance. Regular inspections are therefore recommended to ensure serviceability and minimize maintenance costs. Ground-penetrating radar (GPR) is a non-destructive testing (NDT) technique widely used to inspect the subsurface condition of road pavements. Furthermore, the integral use of NDTs has received more attention in recent years since it provides a more comprehensive and reliable assessment of the road network. Accordingly, GPR has been integrated with complementary NDTs to extend its capabilities and to detect potential pavement surface and subsurface distresses and features. In this paper, the non-destructive methods commonly combined with GPR to monitor both flexible and rigid pavements are briefly described. In addition, published work combining GPR with other NDT methods is reviewed, emphasizing the main findings and limitations of the most practical combination methods. Further, challenges, trends, and future perspectives of the reviewed combination works are highlighted, including the use of intelligent data analysis.Xunta de Galicia | Ref. ED431F 2021/08Ministerio de Ciencia e Innovación | Ref. RYC2019–026604-

Workshop on Smart Sensors - Instrumentation and Measurement: Program

On 18-19 February, the School of Engineering successfully ran a two-day workshop on Smart Sensors - Instrumentation and Measurement. Associate Professor Rainer Künnemeyer organised the event on behalf of the IEEE Instrumentation and Measurement Society, New Zealand Chapter. Over 60 delegates attended and appreciated the 34 presentations which covered a wide range of topics related to sensors, sensor networks and instrumentation. There was substantial interest and support from local industry and crown research institutes

Road Condition Mapping by Integration of Laser Scanning, RGB Imaging and Spectrometry

Roads are important infrastructure and are primary means of transportation. Control and maintenance of roads are substantial as the pavement surface deforms and deteriorates due to heavy load and influences of weather. Acquiring detailed information about the pavement condition is a prerequisite for proper planning of road pavement maintenance and rehabilitation. Many companies detect and localize the road pavement distresses manually, either by on-site inspection or by digitizing laser data and imagery captured by mobile mapping. The automation of road condition mapping using laser data and colour images is a challenge. Beyond that, the mapping of material properties of the road pavement surface with spectrometers has not yet been investigated. This study aims at automatic mapping of road surface condition including distress and material properties by integrating laser scanning, RGB imaging and spectrometry. All recorded data are geo-referenced by means of GNSS/ INS. Methods are developed for pavement distress detection that cope with a variety of different weather and asphalt conditions. Further objective is to analyse and map the material properties of the pavement surface using spectrometry data. No standard test data sets are available for benchmarking developments on road condition mapping. Therefore, all data have been recorded with a mobile mapping van which is set up for the purpose of this research. The concept for detecting and localizing the four main pavement distresses, i.e. ruts, potholes, cracks and patches is the following: ruts and potholes are detected using laser scanning data, cracks and patches using RGB images. For each of these pavement distresses, two or more methods are developed, implemented, compared to each other and evaluated to identify the most successful method. With respect to the material characteristics, spectrometer data of road sections are classified to indicate pavement quality. As a spectrometer registers almost a reflectivity curve in VIS, NIR and SWIR wavelength, indication of aging can be derived. After detection and localization of the pavement distresses and pavement quality classes, the road condition map is generated by overlaying all distresses and quality classes. As a preparatory step for rut and pothole detection, the road surface is extracted from mobile laser scanning data based on a height jump criterion. For the investigation on rut detection, all scanlines are processed. With an approach based on iterative 1D polynomial fitting, ruts are successfully detected. For streets with the width of 6 m to 10 m, a 6th order polynomial is found to be most suitable. By 1D cross-correlation, the centre of the rut is localized. An alternative method using local curvature shows a high sensitivity to the shape and width of a rut and is less successful. For pothole detection, the approach based on polynomial fitting generalized to two dimensions. As an alternative, a procedure using geodesic morphological reconstruction is investigated. Bivariate polynomial fitting encounters problems with overshoot at the boundary of the regions. The detection is very successful using geodesic morphology. For the detection of pavement cracks, three methods using rotation invariant kernels are investigated. Line Filter, High-pass Filter and Modified Local Binary Pattern kernels are implemented. A conceptual aspect of the procedure is to achieve a high degree of completeness. The most successful variant is the Line Filter for which the highest degree of completeness of 81.2 % is achieved. Two texture measures, the gradient magnitude and the local standard deviation are employed to detect pavement patches. As patches may differ with respect to homogeneity and may not always have a dark border with the intact pavement surface, the method using the local standard deviation is more suitable for detecting the patches. Linear discriminant analysis is utilized for asphalt pavement quality analysis and classification. Road pavement sections of ca. 4 m length are classified into two classes, namely: “Good” and “Bad” with the overall accuracy of 77.6 %. The experimental investigations show that the developed methods for automatic distress detection are very successful. By 1D polynomial fitting on laser scanlines, ruts are detected. In addition to ruts also pavement depressions like shoving can be revealed. The extraction of potholes is less demanding. As potholes appear relatively rare in the road networks of a city, the road segments which are affected by potholes are selected interactively. While crack detection by Line Filter works very well, the patch detection is more challenging as patches sometimes look very similar to the intact surface. The spectral classification of pavement sections contributes to road condition mapping as it gives hints on aging of the road pavement.Straßen bilden die primären Transportwege für Personen und Güter und sind damit ein wichtiger Bestandteil der Infrastruktur. Der Aufwand für Instandhaltung und Wartung der Straßen ist erheblich, da sich die Fahrbahnoberfläche verformt und durch starke Belastung und Wettereinflüsse verschlechtert. Die Erfassung detaillierter Informationen über den Fahrbahnzustand ist Voraussetzung für eine sachgemäße Planung der Fahrbahnsanierung und -rehabilitation. Viele Unternehmen detektieren und lokalisieren die Fahrbahnschäden manuell entweder durch Vor-Ort-Inspektion oder durch Digitalisierung von Laserdaten und Bildern aus mobiler Datenerfassung. Eine Automatisierung der Straßenkartierung mit Laserdaten und Farbbildern steht noch in den Anfängen. Zudem werden bisher noch nicht die Alterungszustände der Asphaltdecke mit Hilfe der Spektrometrie bewertet. Diese Studie zielt auf den automatischen Prozess der Straßenzustandskartierung einschließlich der Straßenschäden und der Materialeigenschaften durch Integration von Laserscanning, RGB-Bilderfassung und Spektrometrie ab. Alle aufgezeichneten Daten werden mit GNSS / INS georeferenziert. Es werden Methoden für die Erkennung von Straßenschäden entwickelt, die sich an unterschiedliche Datenquellen bei unterschiedlichem Wetter- und Asphaltzustand anpassen können. Ein weiteres Ziel ist es, die Materialeigenschaften der Fahrbahnoberfläche mittels Spektrometrie-Daten zu analysieren und abzubilden. Derzeit gibt es keine standardisierten Testdatensätze für die Evaluierung von Verfahren zur Straßenzustandsbeschreibung. Deswegen wurden alle Daten, die in dieser Studie Verwendung finden, mit einem eigens für diesen Forschungszweck konfigurierten Messfahrzeug aufgezeichnet. Das Konzept für die Detektion und Lokalisierung der wichtigsten vier Arten von Straßenschäden, nämlich Spurrillen, Schlaglöcher, Risse und Flickstellen ist das folgende: Spurrillen und Schlaglöcher werden aus Laserdaten extrahiert, Risse und Flickstellen aus RGB- Bildern. Für jede dieser Straßenschäden werden mindestens zwei Methoden entwickelt, implementiert, miteinander verglichen und evaluiert um festzustellen, welche Methode die erfolgreichste ist. Im Hinblick auf die Materialeigenschaften werden Spektrometriedaten der Straßenabschnitte klassifiziert, um die Qualität des Straßenbelages zu bewerten. Da ein Spektrometer nahezu eine kontinuierliche Reflektivitätskurve im VIS-, NIR- und SWIR-Wellenlängenbereich aufzeichnet, können Merkmale der Asphaltalterung abgeleitet werden. Nach der Detektion und Lokalisierung der Straßenschäden und der Qualitätsklasse des Straßenbelages wird der übergreifende Straßenzustand mit Hilfe von Durchschlagsregeln als Kombination aller Zustandswerte und Qualitätsklassen ermittelt. In einem vorbereitenden Schritt für die Spurrillen- und Schlaglocherkennung wird die Straßenoberfläche aus mobilen Laserscanning-Daten basierend auf einem Höhensprung-Kriterium extrahiert. Für die Untersuchung zur Spurrillen-Erkennung werden alle Scanlinien verarbeitet. Mit einem Ansatz, der auf iterativer 1D-Polynomanpassung basiert, werden Spurrillen erfolgreich erkannt. Für eine Straßenbreite von 8-10m erweist sich ein Polynom sechsten Grades als am besten geeignet. Durch 1D-Kreuzkorrelation wird die Mitte der Spurrille erkannt. Eine alternative Methode, die die lokale Krümmung des Querprofils benutzt, erweist sich als empfindlich gegenüber Form und Breite einer Spurrille und ist weniger erfolgreich. Zur Schlaglocherkennung wird der Ansatz, der auf Polynomanpassung basiert, auf zwei Dimensionen verallgemeinert. Als Alternative wird eine Methode untersucht, die auf der Geodätischen Morphologischen Rekonstruktion beruht. Bivariate Polynomanpassung führt zu Überschwingen an den Rändern der Regionen. Die Detektion mit Hilfe der Geodätischen Morphologischen Rekonstruktion ist dagegen sehr erfolgreich. Zur Risserkennung werden drei Methoden untersucht, die rotationsinvariante Kerne verwenden. Linienfilter, Hochpassfilter und Lokale Binäre Muster werden implementiert. Ein Ziel des Konzeptes zur Risserkennung ist es, eine hohe Vollständigkeit zu erreichen. Die erfolgreichste Variante ist das Linienfilter, für das mit 81,2 % der höchste Grad an Vollständigkeit erzielt werden konnte. Zwei Texturmaße, nämlich der Betrag des Grauwert-Gradienten und die lokale Standardabweichung werden verwendet, um Flickstellen zu entdecken. Da Flickstellen hinsichtlich der Homogenität variieren können und nicht immer eine dunkle Grenze mit dem intakten Straßenbelag aufweisen, ist diejenige Methode, welche die lokale Standardabweichung benutzt, besser zur Erkennung von Flickstellen geeignet. Lineare Diskriminanzanalyse wird zur Analyse der Asphaltqualität und zur Klassifikation benutzt. Straßenabschnitte von ca. 4m Länge werden zwei Klassen („Gut“ und „Schlecht“) mit einer gesamten Accuracy von 77,6 % zugeordnet. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass die entwickelten Methoden für die automatische Entdeckung von Straßenschäden sehr erfolgreich sind. Durch 1D Polynomanpassung an Laser-Scanlinien werden Spurrillen entdeckt. Zusätzlich zu Spurrillen werden auch Unebenheiten des Straßenbelages wie Aufschiebungen detektiert. Die Extraktion von Schlaglöchern ist weniger anspruchsvoll. Da Schlaglöcher relativ selten in den Straßennetzen von Städten auftreten, werden die Straßenabschnitte mit Schlaglöchern interaktiv ausgewählt. Während die Rissdetektion mit Linienfiltern sehr gut funktioniert, ist die Erkennung von Flickstellen eine größere Herausforderung, da Flickstellen manchmal der intakten Straßenoberfläche sehr ähnlich sehen. Die spektrale Klassifizierung der Straßenabschnitte trägt zur Straßenzustandsbewertung bei, indem sie Hinweise auf den Alterungszustand des Straßenbelages liefert

Surface and Sub-Surface Analyses for Bridge Inspection

The development of bridge inspection solutions has been discussed in the recent past. In this dissertation, significant development and improvement on the state-of-the-art in the field of bridge inspection using multiple sensors (e.g. ground penetrating radar (GPR) and visual sensor) has been proposed. In the first part of this research (discussed in chapter 3), the focus is towards developing effective and novel methods for rebar detection and localization for sub-surface bridge inspection of steel rebars. The data has been collected using Ground Penetrating Radar (GPR) sensor on real bridge decks. In this regard, a number of different approaches have been successively developed that continue to improve the state-of-the-art in this particular research area. The second part (discussed in chapter 4) of this research deals with the development of an automated system for steel bridge defect detection system using a Multi-Directional Bicycle Robot. The training data has been acquired from actual bridges in Vietnam and validation is performed on data collected using Bicycle Robot from actual bridge located in Highway-80, Lovelock, Nevada, USA. A number of different proposed methods have been discussed in chapter 4. The final chapter of the dissertation will conclude the findings from the different parts and discuss ways of improving on the existing works in the near future

Innovative Methods and Materials in Structural Health Monitoring of Civil Infrastructures

In the past, when elements in sructures were composed of perishable materials, such as wood, the maintenance of houses, bridges, etc., was considered of vital importance for their safe use and to preserve their efficiency. With the advent of materials such as reinforced concrete and steel, given their relatively long useful life, periodic and constant maintenance has often been considered a secondary concern. When it was realized that even for structures fabricated with these materials that the useful life has an end and that it was being approached, planning maintenance became an important and non-negligible aspect. Thus, the concept of structural health monitoring (SHM) was introduced, designed, and implemented as a multidisciplinary method. Computational mechanics, static and dynamic analysis of structures, electronics, sensors, and, recently, the Internet of Things (IoT) and artificial intelligence (AI) are required, but it is also important to consider new materials, especially those with intrinsic self-diagnosis characteristics, and to use measurement and survey methods typical of modern geomatics, such as satellite surveys and highly sophisticated laser tools

Sensing Mountains

Sensing mountains by close-range and remote techniques is a challenging task. The 4th edition of the international Innsbruck Summer School of Alpine Research 2022 – Close-range Sensing Techniques in Alpine Terrain brings together early career and experienced scientists from technical-, geo- and environmental-related research fields. The interdisciplinary setting of the summer school creates a creative space for exchanging and learning new concepts and solutions for mapping, monitoring and quantifying mountain environments under ongoing conditions of change

Transport Infrastructure Surveillance and Monitoring by Electromagnetic Sensing: The ISTIMES Project

The ISTIMES project, funded by the European Commission in the frame of a joint Call “ICT and Security” of the Seventh Framework Programme, is presented and preliminary research results are discussed. The main objective of the ISTIMES project is to design, assess and promote an Information and Communication Technologies (ICT)-based system, exploiting distributed and local sensors, for non-destructive electromagnetic monitoring of critical transport infrastructures. The integration of electromagnetic technologies with new ICT information and telecommunications systems enables remotely controlled monitoring and surveillance and real time data imaging of the critical transport infrastructures. The project exploits different non-invasive imaging technologies based on electromagnetic sensing (optic fiber sensors, Synthetic Aperture Radar satellite platform based, hyperspectral spectroscopy, Infrared thermography, Ground Penetrating Radar-, low-frequency geophysical techniques, Ground based systems for displacement monitoring). In this paper, we show the preliminary results arising from the GPR and infrared thermographic measurements carried out on the Musmeci bridge in Potenza, located in a highly seismic area of the Apennine chain (Southern Italy) and representing one of the test beds of the project