長時間序列干涉SAR技術在橋梁形變監測中的研究進展

摘要 為解決傳統測量方式無法對橋梁整體沉降和形變進行大區域、長時間監測的問題，利用合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術可對大橋整體形變進行全天候、全天時、長時間的監測，可在不影響橋梁正常運營的同時降低人力物力成本。該文討論了長時間序列干涉SAR技術方法的理論原理，并針對橋梁特定目標，分析了該技術在監測橋梁形變中的技術優勢與挑戰，為橋梁形變監測提供技術支撐。

關鍵詞 SAR；橋梁形變；PSInSAR；SBAS-InSAR

中圖分類號 U446 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）04-0004-03

0 引言

跨江跨海大型橋梁建設在我國近幾十年得到了迅猛發展，極大地縮短了兩岸的交通距離，在社會經濟發展和社會進步方面起到了舉足輕重的作用。但是由于處在江海等惡劣自然環境下和超重、交通事故等人為因素，在橋梁的實際運營過程中會存在橋梁結構變形的情況。橋梁的變形在一定范圍內被認為是允許的，如果超出允許值，則可能引發災害，甚至坍塌，對于大型橋梁來說，突發性的災害往往都是巨大的，造成的影響也是非常嚴重的，甚至會嚴重威脅人民群眾的生命安全且給社會經濟帶來不可估量的損失。所以對橋梁的變形開展全壽命周期的監測，預防控制橋梁出現的各項安全隱患，具有重要的現實意義。

傳統的橋梁監測主要利用全站儀和水準儀分別進行水平位移和垂直位移的測定，測定精度高，但精度受主觀因素影響較大，且基線相連的兩點之間必須具有通視能力。隨著信息技術的發展，GNSS（Global Navigation Satellite System）技術能提供橋梁表面高時間分辨率三維形變信息，能夠及時掌握橋梁監測點的結構形變。但是在高山峽谷、建筑物密集地區，由于多路徑效應的影響，其監測精度和可靠性不高，同時無法達到很高的空間分辨率，不能反映橋梁形變的整體情況。

合成孔徑雷達差分干涉測量（DInSAR）技術能達到毫米級的監測精度、整體成本低，并且無須安裝傳感器，是一種非接觸式的測量方式，特別適用于監測分析中大型跨江橋梁的整體形變情況，可實現對橋梁的高頻次動態監測。長時間序列干涉SAR技術精度可達毫米級。面對橋梁結構的復雜性以及線狀目標的特點，對其進行針對性處理，可以保證形變監測結果的準確性，近些年來在實際監測中利用不同波段的SAR數據都取得了成功的應用[1，2]。該文討論了長時間序列干涉SAR的技術原理，并分析了長時間序列干涉SAR在橋梁形變監測中的應用和挑戰，綜合分析了干涉SAR技術在橋梁領域的應用前景。

1 長時間序列干涉SAR技術方法

傳統的兩軌法或三軌法DInSAR技術測量的結果整體上來說是連續的，該方法只使用兩景或三景影像，數據需求少，沒有總體上的累積誤差，數據處理簡單。其誤差主要來源于大氣傳播過程、系統熱噪聲及數據處理過程中的系統誤差。但對緩慢形變的監測應用，通常需要采用很大的時間基線，所帶來的誤差因素也同時會更加敏感，因此為克服這些不利的誤差因素的影響，工程中提出了一系列新技術，其中基于長時間序列干涉SAR技術應用最為突出。

長時間序列干涉SAR是通過獲取研究區研究時段內的一系列影像，通過配準、差分干涉等步驟，再采用一些準則，選取出具有強相干性的穩定點，最后利用濾波技術來去除大氣附加相位及軌道誤差等的影響因素，從而獲得精確的目標形變的技術方法。在長時間序列干涉SAR中，PS（Permanent Scatterers）技術和SBAS（Small Baseline Subset）技術應用最為廣泛。

1.1 PS-InSAR技術

在長時間序列的差分干涉圖中，差分干涉相位的組成可用下式表達：

式中，i——像元號；rTi——研究目標在該時間段內的形變大小；αi——大氣附加相位；ni——熱噪聲相位；——地形誤差帶來的相位殘差。上述各項利用傳統的差分干涉方法無法進行有效的分離，于是Ferretti等提出了PS技術[3]，PS點為在長時間間隔內仍能保持高相干性的點，從這些點的干涉相位中去除時間空間去相關及大氣相位項的影響，即得到精確的目標形變相位項。

式中，v——地表形變速率（mm/a），Ti——研究時間段，也即時間基線（a）。則PS點的差分干涉相位可表達為：

式中，a——常數；B——垂直基線（m）；pξ、pη

——坡度（rad）；Δq——高程誤差引起的相位殘差（rad）；E——殘差相位（rad）；——去除平地及高程相位后的差分干涉相位（rad）；式中的上標T為向量或矩陣的轉置操作。在計算出后，對上式進行迭代法求解，即可求出目標的線性形變速度[4]。

1.2 SBAS-InSAR技術

小基線集技術（SBAS-InSAR）利用小基線距避免空間失相關，同時減小地形對差分的影響，得到的形變圖在空間上更為連續，結合穩定散射體的干涉相位信息，得到更高的空間分辨率。小基線集技術首先對N幅時間序列影像按時間t0，t1，…，tN進行排序，選取其中的某一景圖像為主影像，去除地形相位和平地相位后得到M幅干涉圖，其中：

式中，——對應的點號；λ——載波波長（m）；、——點的相對差分干涉相位（rad），、——點的相對形變量（m）；——點的數字地形誤差引起的附加相位（rad）；——該點的大氣附加相位（rad）；——由熱噪聲相位誤差（rad）。假設忽略這些誤差，則上式可表達為：

采用SVD分解法對上式求解矩陣A的最小二乘解，得出形變速率。主要流程如圖1。

2 長時間序列干涉SAR技術在橋梁形變監測應用中的挑戰

2.1 SAR數據獲取

橋梁的特征為復雜結構的線性小目標，形變幅度小，在前期投入使用時會有兩三年較明顯的形變期，之后進入穩定階段。在SAR數據的選擇上通?？紤]其波長及空間分辨率等參數。時間分辨率由于橋梁作為硬目標的特性，且形變緩慢，通常星載SAR的重訪周期都可滿足監測的要求。

在波長的選擇上，波長越短，對形變的敏感性越強，在不考慮其他因素影響的情況下，對橋梁形變的監測精度越高。但短波SAR受大氣水汽等的影響更大，在大跨度橋梁監測應用中，由于大氣去相干的影響，其配準難度也更具挑戰。

空間分辨率主要體現在監測的精細程度，對橋梁形變細節的反映上。大型橋梁的主塔、橋面等結構形變程度往往不同，高分辨率SAR數據能更精細地體現橋梁各主要位置的形變，而低分辨率數據由于單個像元尺度大，像元內包含的結構對象更多，因此無法區分細微結構的形變特征。

目前主要的星載SAR數據系列有：Sentinel-1A/B、TerraSAR-X、Cosmo-SkyMed及ALOS等，在橋梁監測中的主要的特征如表1。

2.2 穩定點的提取

由于橋梁結構的復雜性，特別是大跨度斜拉橋，拉索的間距小，斜拉索的方向性強，且斜拉索通常為金屬材質，多路徑效應都會引起SAR信號的不穩定。一方面，跨江大跨度的橋梁受固定荷載、車輛等動荷載、溫度、風等各項因素的綜合影響，其跨中中心橋面的形變量可能在一瞬間達到數十厘米或者更高，尤其在懸索橋的情況下，也會影響在時間序列SAR的相位和幅度。同時，橋梁鋼或混凝土等特殊結構會造成雷達回波陰影的產生、橋梁頂底位移等多種原因形成去相干的現象，以及偽信號和在處理回波的過程中引入的相干噪聲、噪聲等，這些因素都會使得相位數據不連續，在解纏相位時造成離散相位梯度估算值不能保持一致，會對穩定點的選取造成一定的困難。另一方面，所選取的穩定點的密度低將導致相鄰點的相位跳變大，引起后續相位及形變回歸提取的難度，造成監測精度的降低。

Qin等[5]在傳統穩定點提取的基礎上，利用SAR非相干信息和后向散射特性，提高了可提取穩定點的密度，并結合結構力學和干涉SAR時間序列的位移，分析了不同橋梁構件的力學性能退化情況，提高了干涉SAR橋梁形變監測的準確性。Selvakumaran等[6]利用PS-InSAR技術進行滑鐵盧大橋橋梁健康監測時，為提高監測精度，在橋上將角反射器和目標棱鏡作為結構監測系統的一部分，從而增加穩定點的密度。角反射器等設備的布設需要合理的制作及布置，在背景較暗的地區布置反射器，通常應具有20 dB的強度反差。同時精確定位反射器的中心線，使得其與SAR平臺軌道盡量保持垂直，并要精確地獲取反射器的坐標和高程。

2.3 橋梁水平形變的監測

干涉SAR的相位主要體現視線向（LOS）的形變，SAR的側視成像可將視線向分解為垂直向和水平向的分量，反映橋梁的垂向和水平形變，該水平分量也在視線向的垂直平面內。通常SAR的入射角較小，因此視線向的形變主要分解為垂直向。同時，由于長時間序列SAR圖像的配準精度遠低于目標的形變量，單個像元計算出的水平形變也難以對應到具體的細微結構目標，因此多重因素導致了水平形變監測的精度較低，更無法實現對整個水平面內各個方向形變的監測。

一個可能的途徑是將長時間序列干涉SAR與水平敏感的監測技術相聯合，實現優勢互補，如在橋梁關鍵點位布設GNSS或全站儀等設備，獲取點位三維形變。同時，充分利用干涉SAR的面監測特性，從而實現點監測與面監測的補充與驗證，并在關鍵區域實現三維形變監測的可能。

2.4 橋下水體的影響

橋下水體的影響主要有兩個方面：配準和附加相位。當監測的大型橋梁建設在水域之上時，對干涉SAR監測的影響尤為明顯。

對大型跨水域橋梁實施監測時，在處理窗口濾波的數據中很難繞開水面像元的影響，使得SAR數據的相關性大大地降低。當SAR圖像的幅寬較小時，往往過多的水面像元導致SAR圖像的配準失敗。在此情況下，一方面通過多方法提高配準控制點的選取，另一方面盡量采用幅寬更大的圖像，使配準計算過程中可以提取到足夠的控制點。

跨水域大橋上方受水汽影響，干涉相位的組成相對復雜，在采用時間序列InSAR技術進行變形監測，如果時間跨度較大則單一主影像采用PS干涉模式有時很難避免基線過長而導致影像失相關，監測點的覆蓋程度也往往不如人意。而小基線集技術可有效克服時間去相干，并能較好地降低大氣中附加相位的影響，以此提高監測的精度。

3 結語

在中大型跨江橋梁整體變形監測的InSAR技術研究中，多采用長時間序列干涉SAR技術，對跨水域大型橋梁的整體變形監測的時間跨度大多短于兩年。但如果對跨水域大型橋梁連續監測的時間跨度很長時，長時間序列干涉SAR技術面臨著挑戰：（1）PS干涉SAR基于唯一的主圖像，在時間間隔過長時，會引起較細的時間去相干，小基線集的應用有可能改善這一問題；（2）當監測目標為大型橋梁時，水面像元及大氣附加相位極大地降低SAR數據相干性，結合GNSS和全站儀等關鍵點監測方法可以提高精度。綜上所述，長時間序列干涉SAR技術的數據獲取和處理能力已能為橋梁的形變監測技術可靠的技術支撐。

參考文獻

[1]黃其歡，丁幼亮，王一安，等.基于InSAR的南京大勝關大橋縱向位移監測與分析[J].東南大學學報（自然科學版）， 2017（3）：584-589.

[2]朱茂，沈體雁，呂鳳華，等.青島膠州灣跨海大橋InSAR形變數據分解和信息提取[J].遙感學報， 2020（7）： 883-893．

[3]Ferretti A.， Prati C.， Rocca F. Permanent scatterers in SAR interferometry[J]. IGARSS’99， 1999，2：1528-1530.

[4]Ferretti A.， Prati C.， Rocca F. Permanent scatterers in SAR interferometry[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2001（1）：8-20.

[5]Qin X， Li Q， Ding X， et al. A structure knowledge-synthetic aperture radar interferometry integration method for high-precision deformation monitoring and risk identification of sea-crossing bridges[J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation， 2021，103：102476.

[6]Selvakumaran S， Webb G， Bennetts J， et al. Understanding InSAR measurement through comparison with traditional structural monitoring-Waterloo Bridge[J]. London： IGARSS， 2019.

收稿日期：2024-09-02

作者簡介：鞠維（1994—），男，碩士，工程師，目前從事電子與通信工程方面的研究工作。