（中國交通通信信息中心，北京，100011）

遙感干涉測(cè)量和北斗高精度定位技術(shù)在橋梁監(jiān)測(cè)中的信息化應(yīng)用研究

夏 威

（中國交通通信信息中心，北京，100011）

作為保障國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，橋梁的安全問題受到廣泛關(guān)注，在橋梁的施工建設(shè)和養(yǎng)護(hù)階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)也就顯得尤為重要。但是，我國橋梁待檢數(shù)量龐大，檢測(cè)實(shí)施方式以人工抽檢為主，作業(yè)效率低、監(jiān)測(cè)不全面。本文對(duì)當(dāng)前橋梁監(jiān)測(cè)存在的問題進(jìn)行了分析，為規(guī)范養(yǎng)護(hù)工作行為、提高運(yùn)營效益，提出了綜合利用雷達(dá)遙感和北斗高精度測(cè)量技術(shù)的方法，通過從宏觀和微觀層面進(jìn)行形變分析，提高監(jiān)測(cè)工作的自動(dòng)化程度，降低橋梁建設(shè)和養(yǎng)護(hù)成本。

橋梁幾何形態(tài)；交通運(yùn)輸應(yīng)用；北斗高精度測(cè)量；雷達(dá)干涉測(cè)量

0 引言

“十二五”規(guī)劃以來，我國橋梁建設(shè)快速發(fā)展，公路橋梁數(shù)量和里程已位居世界前列。根據(jù)交通運(yùn)輸部2014年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全國共有公路橋梁75.71萬座、總長4257.89萬米，比上年末增加2.18萬座、280.09萬米。其中，特大橋梁3404座、總長610.54萬米，大型橋梁72979座、總長1863.01萬米。橋梁在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起到了重要作用，但是，隨著服役年限的增加，橋梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、構(gòu)件耐久性和穩(wěn)定性逐年下降，承載能力已不適應(yīng)日益增加的交通需求。有些橋梁由于長期缺乏養(yǎng)護(hù)管理，承載能力惡化，已處于危橋狀態(tài)，隨時(shí)都有可能醞釀出橋塌車毀的悲劇。當(dāng)橋梁受車輛超載、地基沉降等外力因素影響而損傷時(shí)，往往伴隨著幾何狀態(tài)的變化，如扭曲變形現(xiàn)象，因此，監(jiān)測(cè)橋梁形變，對(duì)于分析橋梁狀態(tài)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，具有重要意義。

城市橋梁的養(yǎng)護(hù)工作通常由業(yè)主方委托的養(yǎng)護(hù)公司或其他資質(zhì)單位進(jìn)行，采用“計(jì)劃模式”，先劃定一些橋梁作為檢測(cè)點(diǎn)，列入年度預(yù)算后再進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。在一些偏遠(yuǎn)區(qū)域，小型橋梁在建成驗(yàn)收后可能長期未入計(jì)劃，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。由于我國各類橋梁待檢數(shù)量龐大，使用人工現(xiàn)場(chǎng)勘查，涉及范圍有限、時(shí)效性差，針對(duì)這一問題，遙感InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar,合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量)和北斗高精度定位技術(shù)可以提供切實(shí)可行的解決辦法。InSAR技術(shù)通過雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar, SAR）衛(wèi)星拍攝遙感影像，將目標(biāo)區(qū)域的多幅影像單元的相位信息進(jìn)行干涉處理，從中提取目標(biāo)的高程形變，精度可達(dá)毫米級(jí)。雷達(dá)衛(wèi)星觀測(cè)面積廣泛，可為數(shù)百平方公里的區(qū)域制作形變專題圖，方便技術(shù)人員直觀地篩選出重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象。遙感數(shù)據(jù)量大，處理時(shí)間長，如果需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以配合使用北斗RTK (Real time kinematic,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng))，高精度、動(dòng)態(tài)地測(cè)量平面坐標(biāo)與高程的變化。

1 危橋成因分析

危橋成因多種多樣，例如：周邊環(huán)境變化，地下水的過度抽取會(huì)導(dǎo)致土層含水量下降，形成地下空洞，進(jìn)而可造成墩臺(tái)沉降橋跨傾斜；超負(fù)荷使用，缺乏養(yǎng)護(hù)；一些司機(jī)安全意識(shí)不足，超載行駛，造成橋梁構(gòu)件疲勞，出現(xiàn)梁體變形；船舶、車輛撞擊，或者滑坡、洪澇等自然災(zāi)害，也可以直接破壞橋梁，動(dòng)搖橋基。

2 Insar遙感與北斗技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 InSAR遙感技術(shù)

使用人工手段檢測(cè)橋梁耗費(fèi)時(shí)間較長，以全站儀高程測(cè)量為例，該方法在多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝標(biāo)記（棱鏡），對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，然后與基準(zhǔn)點(diǎn)的值進(jìn)行換算得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程。通常需2-3人進(jìn)行放樣，且要求天氣通視情況良好。根據(jù)某道路養(yǎng)護(hù)單位的統(tǒng)計(jì)，不考慮天氣因素，平均每座橋的檢測(cè)工時(shí)約3天。該市的道路橋梁多達(dá)數(shù)千座，如果要排查危橋，成本極高。遙感技術(shù)則能有效提升效率工作效率。一景SAR圖像覆蓋面積可達(dá)1000平方公里，接近一個(gè)中等城市或大城市的城區(qū)，無需人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

2.2 北斗技術(shù)

遙感適合于大范圍地普查、定位風(fēng)險(xiǎn)橋梁。在確定了需重點(diǎn)關(guān)注的橋梁后，如果仍利用遙感進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于SAR衛(wèi)星的拍攝頻率最快數(shù)天一次，所以在時(shí)效性上存在局限。此外，InSAR測(cè)量的是目標(biāo)的沉降，也即垂直位移的情況，難以測(cè)水平位移。北斗RTK定位技術(shù)，能夠動(dòng)態(tài)測(cè)定水平和垂直位置信息，彌補(bǔ)遙感的不足。2012年5月，廣州珠江黃埔大橋即首次使用北斗檢測(cè)橋梁位移。與GPS相比，北斗是我國自主研發(fā)的定位系統(tǒng)，處于國家安全考慮，在重要基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)和運(yùn)營上須盡量國產(chǎn)化。而且，北斗具有短報(bào)文通信功能，在回傳測(cè)量結(jié)果時(shí)無需像其他傳感器那樣專門鋪設(shè)通信傳輸網(wǎng)，可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)使用。

3 關(guān)鍵技術(shù)原理

3.1 遙感InSAR

InSAR技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法有多種，在工程級(jí)測(cè)量中，一般采用永久散射體(permanent scatterers, PS)方法，其思想是：采集了N+1幅SAR圖像，選取其中一幅為主影像，然后將其與剩余N幅影像做比較，計(jì)算相位差，結(jié)合雷達(dá)衛(wèi)星的位置、天線參數(shù)，得到衛(wèi)星視線向的前后兩次地表高層差，即形變結(jié)果。

3.2 北斗RTK

RTK技術(shù)的基本思想是：在已知的坐標(biāo)位置建立基準(zhǔn)站，播發(fā)觀測(cè)數(shù)據(jù)（包括偽距、相位）和基準(zhǔn)坐標(biāo)給流動(dòng)站接收機(jī)，流動(dòng)站接收衛(wèi)星信號(hào)，然后進(jìn)行處理，計(jì)算出流動(dòng)站的坐標(biāo)信息，定位速度幾秒到幾分鐘。流動(dòng)站，可以采用靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)形式，對(duì)于橋梁監(jiān)測(cè)，一般固定到特定位置。

4 實(shí)現(xiàn)流程與數(shù)據(jù)分析

4.1 工作流程

（1）遙感數(shù)據(jù)采集。

周期性地采集SAR影像，如果形變速度非?？?，需要設(shè)置足夠高的采集頻率，否則在數(shù)據(jù)分析時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖像失相干現(xiàn)象。如果研究區(qū)域自然PS點(diǎn)少，可人為架設(shè)角反射器作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。角反射器起到骨干控制網(wǎng)的作用，對(duì)提高相位干涉計(jì)算精度具有重要作用。

（2）遙感內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

獲取SAR數(shù)據(jù)集后，從中提取能夠與其它圖像的空間基線最小的圖像作為主圖像，然后將數(shù)據(jù)集的圖像與主圖像進(jìn)行配準(zhǔn)和重采樣。在實(shí)際處理中，一般將數(shù)據(jù)切割成多塊小區(qū)域，以提高計(jì)算速度。

從圖像中選擇PS點(diǎn)。閾值法是最為簡單的一種方法，通過統(tǒng)計(jì)分析每個(gè)像元的強(qiáng)度值和相干性，設(shè)定一個(gè)閾值篩選出PS候選點(diǎn)。在消除大氣影響和其他誤差后，應(yīng)再次進(jìn)行PS點(diǎn)選取，對(duì)上一輪的篩選結(jié)果作適當(dāng)增減。

干涉處理。所有圖像生成干涉圖序列。為了提高精度，應(yīng)給數(shù)據(jù)集去大氣效應(yīng)。在干涉測(cè)量中，大氣影響會(huì)為雷達(dá)信號(hào)附加相位，可以通過歷史天氣信息，估計(jì)PS點(diǎn)上的大氣相位并去除。

（3）篩查，選取重點(diǎn)區(qū)域

根據(jù)形變測(cè)量結(jié)果，制作形變趨勢(shì)圖，從中找到形變速率較快的區(qū)域。圖 2給出了某市的InSAR形變分析結(jié)果，紅色代表沉降嚴(yán)重區(qū)域，綠色表示相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域。可見，其東部區(qū)域的沉降較嚴(yán)重，而且呈現(xiàn)向中部蔓延的趨勢(shì)，西北部地區(qū)較穩(wěn)定。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注處紅色地區(qū)的橋梁，對(duì)其設(shè)立觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)外業(yè)監(jiān)測(cè)。

圖2 城區(qū)形變趨勢(shì)圖

（4）北斗RTK外業(yè)測(cè)量。

在橋梁上架設(shè)北斗高精度測(cè)量終端等設(shè)備，得到外業(yè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。如果監(jiān)測(cè)點(diǎn)本身的不穩(wěn)定，則布設(shè)固定點(diǎn)測(cè)量。

（5）數(shù)據(jù)挖掘與分析。

建立結(jié)構(gòu)損傷模型，將遙感和北斗兩類監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，統(tǒng)計(jì)變化趨勢(shì)，同時(shí)分析橋梁周邊的地表地形環(huán)境的情況作為參考，當(dāng)形變程度超過安全值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，為建設(shè)、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)、管理提供決策依據(jù)。

5 總結(jié)與展望

本文提出了結(jié)合遙感和北斗技術(shù)的橋梁形變監(jiān)測(cè)，介紹了相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理和流程。遙感和北斗技術(shù)是宏觀和微觀層面的結(jié)合，能夠?yàn)闃蛄旱慕ㄔO(shè)、養(yǎng)護(hù)和管理建立起多角度全方位的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)橋梁設(shè)施的安全運(yùn)營具有重要意義。相關(guān)手段還可以繼續(xù)擴(kuò)展其功能，結(jié)合其他觀測(cè)設(shè)備，推廣到邊坡、水工建筑等其他交通基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)中，將具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 交通運(yùn)輸部. 2014年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào).

[2] 陳蓓蓓.北京地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[D].首都師范大學(xué)，2009.

[3] 郭信平，曹洪杰。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用大全[M].

[4] 劉經(jīng)南。衛(wèi)星導(dǎo)航定位與北斗系統(tǒng)應(yīng)用[M]。中國測(cè)繪，2014.

[5] 黃埔大橋位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)http://www.compstar.cn/news/ bencandy.php?fid=2&id=1130

[6] 交通運(yùn)輸部.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTG d60-2004）,2011.

The Application Research of Interferometric Synthetic Aperture Radar and Beidou High Accuracy Measurement for Bridge Monitoring

Xia Wei
( China Transport Telecommunications & Information Center, Beijing，100011, China)

As a guarantee of national economy important infrastructure,security issues of bridge by widespread attention and monitoring in bridge construction and maintenance is particularly important. However, the number of bridges in China is huge,the detection method is based on manual sampling,the operation efficiency is low,and the monitoring is not comprehensive.The problems existing in current monitoring of bridge are analyzed,in order to regulate the behavior of the maintenance work,improve the operation efficiency,this paper puts forward the comprehensive utilization method of radar remote sensing and Beidou high precision measurement technology,through deformation are analyzed from the macro and micro levels to improve the degree of automation of monitoring work,reduce the cost of bridge construction and maintenance.

bridge geometry;transportation application;Beidou high precision measurement radar interferometry.