遙感干涉測量和北斗高精度定位技術在橋梁監測中的信息化應用研究

（中國交通通信信息中心，北京，100011）

遙感干涉測量和北斗高精度定位技術在橋梁監測中的信息化應用研究

夏 威

（中國交通通信信息中心，北京，100011）

作為保障國民經濟的重要基礎設施，橋梁的安全問題受到廣泛關注，在橋梁的施工建設和養護階段進行監測也就顯得尤為重要。但是，我國橋梁待檢數量龐大，檢測實施方式以人工抽檢為主，作業效率低、監測不全面。本文對當前橋梁監測存在的問題進行了分析，為規范養護工作行為、提高運營效益，提出了綜合利用雷達遙感和北斗高精度測量技術的方法，通過從宏觀和微觀層面進行形變分析，提高監測工作的自動化程度，降低橋梁建設和養護成本。

橋梁幾何形態；交通運輸應用；北斗高精度測量；雷達干涉測量

0 引言

“十二五”規劃以來，我國橋梁建設快速發展，公路橋梁數量和里程已位居世界前列。根據交通運輸部2014年的統計數據，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。橋梁在國民經濟的發展中起到了重要作用，但是，隨著服役年限的增加，橋梁的結構強度、剛度、構件耐久性和穩定性逐年下降，承載能力已不適應日益增加的交通需求。有些橋梁由于長期缺乏養護管理，承載能力惡化，已處于危橋狀態，隨時都有可能醞釀出橋塌車毀的悲劇。當橋梁受車輛超載、地基沉降等外力因素影響而損傷時，往往伴隨著幾何狀態的變化，如扭曲變形現象，因此，監測橋梁形變，對于分析橋梁狀態、及時發現隱患，具有重要意義。

城市橋梁的養護工作通常由業主方委托的養護公司或其他資質單位進行，采用“計劃模式”，先劃定一些橋梁作為檢測點，列入年度預算后再進行養護。在一些偏遠區域，小型橋梁在建成驗收后可能長期未入計劃，不利于及時發現隱患。由于我國各類橋梁待檢數量龐大，使用人工現場勘查，涉及范圍有限、時效性差，針對這一問題，遙感InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar,合成孔徑雷達干涉測量)和北斗高精度定位技術可以提供切實可行的解決辦法。InSAR技術通過雷達（Synthetic Aperture Radar, SAR）衛星拍攝遙感影像，將目標區域的多幅影像單元的相位信息進行干涉處理，從中提取目標的高程形變，精度可達毫米級。雷達衛星觀測面積廣泛，可為數百平方公里的區域制作形變專題圖，方便技術人員直觀地篩選出重點監測對象。遙感數據量大，處理時間長，如果需要進行實時監測，可以配合使用北斗RTK (Real time kinematic,實時動態控制系統)，高精度、動態地測量平面坐標與高程的變化。

1 危橋成因分析

危橋成因多種多樣，例如：周邊環境變化，地下水的過度抽取會導致土層含水量下降，形成地下空洞，進而可造成墩臺沉降橋跨傾斜；超負荷使用，缺乏養護；一些司機安全意識不足，超載行駛，造成橋梁構件疲勞，出現梁體變形；船舶、車輛撞擊，或者滑坡、洪澇等自然災害，也可以直接破壞橋梁，動搖橋基。

2 Insar遙感與北斗技術應用分析

2.1 InSAR遙感技術

使用人工手段檢測橋梁耗費時間較長，以全站儀高程測量為例，該方法在多個監測點安裝標記（棱鏡），對監測點進行測量，然后與基準點的值進行換算得到監測點的高程。通常需2-3人進行放樣，且要求天氣通視情況良好。根據某道路養護單位的統計，不考慮天氣因素，平均每座橋的檢測工時約3天。該市的道路橋梁多達數千座，如果要排查危橋，成本極高。遙感技術則能有效提升效率工作效率。一景SAR圖像覆蓋面積可達1000平方公里，接近一個中等城市或大城市的城區，無需人工現場測量。

2.2 北斗技術

遙感適合于大范圍地普查、定位風險橋梁。在確定了需重點關注的橋梁后，如果仍利用遙感進行監測，由于SAR衛星的拍攝頻率最快數天一次，所以在時效性上存在局限。此外，InSAR測量的是目標的沉降，也即垂直位移的情況，難以測水平位移。北斗RTK定位技術，能夠動態測定水平和垂直位置信息，彌補遙感的不足。2012年5月，廣州珠江黃埔大橋即首次使用北斗檢測橋梁位移。與GPS相比，北斗是我國自主研發的定位系統，處于國家安全考慮，在重要基礎設施的監測和運營上須盡量國產化。而且，北斗具有短報文通信功能，在回傳測量結果時無需像其他傳感器那樣專門鋪設通信傳輸網，可以在偏遠地區使用。

3 關鍵技術原理

3.1 遙感InSAR

InSAR技術的具體實現方法有多種，在工程級測量中，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，計算相位差，結合雷達衛星的位置、天線參數，得到衛星視線向的前后兩次地表高層差，即形變結果。

3.2 北斗RTK

RTK技術的基本思想是：在已知的坐標位置建立基準站，播發觀測數據（包括偽距、相位）和基準坐標給流動站接收機，流動站接收衛星信號，然后進行處理，計算出流動站的坐標信息，定位速度幾秒到幾分鐘。流動站，可以采用靜態或者動態形式，對于橋梁監測，一般固定到特定位置。

4 實現流程與數據分析

4.1 工作流程

（1）遙感數據采集。

周期性地采集SAR影像，如果形變速度非常快，需要設置足夠高的采集頻率，否則在數據分析時會出現圖像失相干現象。如果研究區域自然PS點少，可人為架設角反射器作為監測點。角反射器起到骨干控制網的作用，對提高相位干涉計算精度具有重要作用。

（2）遙感內業數據處理

獲取SAR數據集后，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，然后將數據集的圖像與主圖像進行配準和重采樣。在實際處理中，一般將數據切割成多塊小區域，以提高計算速度。

從圖像中選擇PS點。閾值法是最為簡單的一種方法，通過統計分析每個像元的強度值和相干性，設定一個閾值篩選出PS候選點。在消除大氣影響和其他誤差后，應再次進行PS點選取，對上一輪的篩選結果作適當增減。

干涉處理。所有圖像生成干涉圖序列。為了提高精度，應給數據集去大氣效應。在干涉測量中，大氣影響會為雷達信號附加相位，可以通過歷史天氣信息，估計PS點上的大氣相位并去除。

（3）篩查，選取重點區域

根據形變測量結果，制作形變趨勢圖，從中找到形變速率較快的區域。圖 2給出了某市的InSAR形變分析結果，紅色代表沉降嚴重區域，綠色表示相對穩定區域。可見，其東部區域的沉降較嚴重，而且呈現向中部蔓延的趨勢，西北部地區較穩定。應重點關注處紅色地區的橋梁，對其設立觀測點，進行動態外業監測。

圖2 城區形變趨勢圖

（4）北斗RTK外業測量。

在橋梁上架設北斗高精度測量終端等設備，得到外業監測數據。如果監測點本身的不穩定，則布設固定點測量。

（5）數據挖掘與分析。

建立結構損傷模型，將遙感和北斗兩類監測結果進行對比分析，統計變化趨勢，同時分析橋梁周邊的地表地形環境的情況作為參考，當形變程度超過安全值時進行報警，為建設、運營、養護、管理提供決策依據。

5 總結與展望

本文提出了結合遙感和北斗技術的橋梁形變監測，介紹了相關技術的實現原理和流程。遙感和北斗技術是宏觀和微觀層面的結合，能夠為橋梁的建設、養護和管理建立起多角度全方位的數據支撐，對橋梁設施的安全運營具有重要意義。相關手段還可以繼續擴展其功能，結合其他觀測設備，推廣到邊坡、水工建筑等其他交通基礎設施的監測中，將具有廣闊的應用前景。

[1] 交通運輸部. 2014年交通運輸行業發展統計公報.

[2] 陳蓓蓓.北京地區地面沉降監測及風險評價研究[D].首都師范大學，2009.

[3] 郭信平，曹洪杰。衛星導航系統應用大全[M].

[4] 劉經南。衛星導航定位與北斗系統應用[M]。中國測繪，2014.

[5] 黃埔大橋位移監測系統http://www.compstar.cn/news/ bencandy.php?fid=2&id=1130

[6] 交通運輸部.公路橋涵設計通用規范（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.