基于3S技術的橋梁安全監測應用研究

周敏璐

摘要：文章應用3S技術解決傳統橋梁監測受天氣影響大、效率低的局限，探討引入GBInSAR技術實現時空連續的高精度橋梁變形監測，輔以BDS-RTK技術進行驗證與局部修正，并通過GIS三維空間可視化技術實現橋梁變形原因剖析及變形演變趨勢分析，為橋梁變形監測提供一種全天時、全天候、覆蓋面狀變形特征的新方式、方法。

關鍵詞：CBInSAR;BDS-RTK;3DGIS;橋梁;變形監測

中圖分類號：U447 文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.022

文章編號：1673-4874（2019）10-0073-04

0引言

“十三五”以來，我國公路橋梁的數量和里程已位居世界前列，據《2016年交通運輸行業發展統計公報》顯示，全國共有公路橋梁80.53萬座，總長4916.97萬m。隨著城市規模的不斷擴張，大型橋梁已經成為了城市交通樞紐中不可或缺的重要元素，而且我國高速鐵路近年發展迅速，建成了大量的高鐵橋梁。由此可見，公路、鐵路、城市橋梁的數量與規模不斷增加，帶來了國民經濟的持續高速發展，為公眾出行和資源運輸提供了極大的便利。

但是，由于橋梁結構的復雜性和對社會的重要性，一旦發生垮塌事故，不僅危及人們的生命財產安全，還會造成嚴重的社會影響和經濟損失，因此橋梁的安全問題受到了全社會的重點關注。交通量和擁堵壓力與日驟增，原有橋梁的設計荷載已經不能滿足現行使用要求，橋梁的結構安全隨時面臨威脅，許多橋梁已逐漸進入養護維修階段，而且新建橋梁的穩定性與安全性更需經過反復的監測與驗證。因此，對橋梁進行安全監測已經成為了橋梁設計、施工、使用和運維過程中必須考慮的重要內容之一。

傳統的橋梁變形監測方法是通過人工設置點位，采用全站儀、水準儀、GPS等進行常規大地測量，獲取監測點位的三維坐標。傳統方法在實際應用中雖得到廣泛應用，也具備了一定的普適性，但同時也暴露了一些問題：（1）傳統的接觸式的監測手段，野外工作量大、效率較低，儀器安裝、搬站費時費力;（2）僅能實現單點監測，僅能代表單點變形特征，無法描述局部點集的變形規律能否完全代表橋梁整體，無法對橋梁整體進行大范圍的面狀采樣;（3）傳統儀器的使用完全受制于天氣，效率低，不能實現全天時、全天候的連續、動態監測工作。

因此，為解決傳統橋梁變形監測方法的局限性，有必要在施工、建設、運營、管理全生命周期中對橋梁的變形特征和變形量進行周期性監測，并形成一套智能化、信息化的安全監測系統，是現階段橋梁工程施建領域重點關注和研究的熱點之一。本文將探討如何應用3S技術，有效實現橋梁的高精度、高可靠性、時空連續的變形監測，形成橋梁安全監測的系統化解決方案。

13S技術應用探討

“3S”技術是遙感（Remote Sensing，簡稱RS）、地理信息系統（Geographical Information System，簡稱GIS）和全球定位系統（Global Positioning System，簡稱GPS）的統稱。3S技術及其集成是當前測繪技術、攝影測量技術、遙感技術、地圖制圖技術、圖形圖像技術、地理信息技術、計算機技術、專家系統、定位技術和數據通訊技術的結合與綜合應用。擁有快速、實時的空間信息獲取與分析能力，使其在全球氣候變化研究、資源與環境動態監測、災害監測與防治等國際關注的熱點問題研究中越來越受到重視。下面將探討3S技術在橋梁變形監測中的具體應用及其帶來的各項技術革新。

1.1以地基InSAR為代表的遙感技術應用研究

合成孔徑雷達干涉測量技術（簡稱InSAR）是近二十年發展起來的極具潛力的微波遙感新技術，在變形監測方面受到了廣泛的重視和關注。其基本原理是：以同一地區的兩張SAR圖像為基本處理數據，通過求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像，經過相位解算，從干涉條紋中獲取地形高程或形變數據的空間對地觀測新技術。

近幾年來，InSAR技術已成功從星載、機載平臺移植到了地面系統中，地基InSAR（又稱GBInSAR）與星載InSAR的原理是相同的，但可以在數分鐘內獲取監測區域內的高空間分辨率SAR圖像，彌補星載、機載重復觀測周期長、難以實現橋梁短周期連續監測的不足，具有較高的時間、空間分辨率。此外，地基InSAR還具有可測距離遠、測量精度高、無需人為設定監測點、儀器安放簡單、數據采集方便等優勢，能有效解決與突破傳統變形監測的局限。

IBIS系統是目前國內外應用最為廣泛的地基InSAR變形監測系統，是由佛羅倫薩大學和IDS公司經過六年聯合研發并成功生產的第一臺商用地面雷達系統。其中，IBIS-S系統主要用于大型橋梁’等線狀目標物的微小形變監測，主要技術參數見表1。

國內對地基InSAR技術及IBIS-S系統應用于橋梁變形監測的研究尚處于初步探討階段，而每一項新技術的出現與發展，都需要解決相關領域應用的可行性、適用性、精確性等問題。本文通過綜合分析國內相關研究成果，論述地基InSAR在未來逐步成為主流橋梁變形監測技術的可能性：（1）地基InSAR變形監測方法具有較高的測量精度。金旭輝等以河北某公路橋，徐進軍等以長江主河道某特大型橋梁為例，開展靜態加載試驗進行精度驗證，若以百分表測量為真值，IBIS測量精度為0.099mm;（2）地基InSAR變形監測結果與傳統方法相比具有強相關性。黃聲享等以武漢陽邏長江公路大橋為實例，表明兩者的互相關系數達到0.8617;（3）地基InSAR變形監測方法具有現實推廣價值和意義。劉春等以正常運行的某長江鐵路大橋為例，分析在真實復雜環境下的橋梁變形監測精度為0.27mm，解決實際橋梁動態變形監測的工程問題。

因此，基于GBInSAR新技術的微變形遠程監測方法，將成為未來橋梁變形監測的重要研究趨勢和發展方向，這不僅能獲取時空連續的橋梁整體變形信息，而且通過無線控制可實現無人值守的連續變形監測，為橋梁施工階段和運營養護階段的長期、實時動態監測提供可能和技術保障。

1.2 以BDS-RTK為代表的定位技術應用研究

2017-11-05，中國第三代導航衛星——北斗三號首批的兩顆組網衛星以“一箭雙星”的發射方式順利升空，標志著中國正式開始建造“北斗”全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統（簡稱BDS）是我國自行研制的、繼美國GPS和俄羅斯GLONASS之后世界上第三個投入實際應用的衛星導航系統，已實現對亞太地區的覆蓋，可滿足中國及周邊地區的全天時、全天候導航及高精度定位要求。

實時動態載波相位差分技術（簡稱RTK），是一種實時獲取測點高精度、高采樣頻率三維坐標的測量方法。BDS-RTK已發展成熟，在變形監測領域尤其是橋梁變形監測上的應用非常廣泛，已經達到相當的精度和采樣頻率，并且具有受外界因素影響較小的優勢。今后，推廣使用BDS-RTK技術在橋梁變形監測中的應用，是推廣我國擁有自主知識產權的北斗系統相關應用的有效途徑。

前文探討以GBInSAR的大范圍、高精度、高時空分辨率遙感監測，根據橋梁微變遠程監測雷達測量原理，僅能完成一維徑向位移測量，無法把橋梁變形時產生的橫向、縱向位移分離出來。如果雷達測量時某些測點處的橫向、縱向位移很明顯，就會影響雷達測量結果的準確性。因此，本文探討輔以BDS-RTK的離散高精度變形監測，對GBInSAR的變形結果進行局部驗證，并對個別點位監測結果進行合理修正，有效提高GBInSAR橋梁變形監測的可靠性和準確性。

1.3 以GIS為基礎支撐的橋梁安全監測系統研究

GIS具有強大的空間數據管理、分析和顯示能力，能將橋梁變形的非空間屬性信息進行空間可視化管理。當前組件式GIS開發方式具有高效、集成、靈活的特點，可將空間分析和可視化等典型功能快速嵌入到橋梁安全監測系統中，為系統建設提供了基礎的平臺支撐。

通過GBInSAR和BDS-RTK技術獲取全天時、全天候、高時空分辨率的橋梁變形監測數據，我們需要通過強大的GIS平臺工具，對橋梁基礎靜態參數數據、動態變形監測數據以及空間位置進行關聯映射，實現非空間橋梁變形特征的空間可視化顯示。

GIS軟件在空間分析方面具有其他軟件無法比擬的優勢。基于GIS的空間分析功能模塊，可對橋梁變形原因進行分析，從時間和空間兩個維度分析變形與時間變化、周邊環境影響之間存在的關系，確定橋梁變形的內因和外因。通過分析變形監測時間序列數據，找出其中的規律，建立預測預警模型，對橋梁的變形趨勢和變形量大小進行合理預測，輔助監管部門的決策分析。

此外，我們還可以應用主流的3DGIS技術，對橋梁主體及其周邊環境進行三維可視化大場景模擬仿真：（1）利用虛擬現實技術或是建筑信息模型（BIM），建立橋梁及其附屬構筑物的三維仿真模型，對橋梁的內外部結構進行精細可視化展示;（2）利用無人機傾斜攝影為主的三維實景建模技術，對橋梁周邊環境進行大范圍的實景仿真。最終從宏觀、微觀上構建輔助橋梁變形監測研究的三維可視化交互場景，為橋梁變形監控、原因分析和時空演變規律研究提供重要的現買依據。

2 結語

本文分別探討3S技術中前沿、可靠、高精度的應用技術，為今后橋梁安全監測形成系統化解決方案。以國內剛起步但具有重要影響力的GBInSAR技術作為橋梁變形監測的主要關鍵技術，獲取0.01mm的高精度、時空連續的橋梁整體變形數據信息;考慮到雷達存在一維徑向觀測的局限，引入我國自主研發并極力推廣的BDS-RTK技術，驗證與局部改進GBInSAR的測量結果，有效提高橋梁變形監測數據的可靠性;結合GIS強大的空間分析管理和三維可視化功能，實現對橋梁、附屬構筑物及其周邊環境的大場景可視化模擬仿真，以及橋梁變形趨勢分析預測，更好地輔助橋梁安全監測系統的建立。

因此，3S技術尤其是以GBInSAR為主，BDS-RTK為輔，并融合3DGIS的新興技術，將引領橋梁安全監測領域的技術新典范。今后隨著相關技術的不斷發展成熟，定會引起橋梁安全監測技術方法的全面革新，為橋梁運維管理部門提供高精度、真實可靠、直觀可理解的橋梁變形信息及決策服務支持。