基于3S技術(shù)的橋梁安全監(jiān)測應(yīng)用研究

周敏璐

摘要：文章應(yīng)用3S技術(shù)解決傳統(tǒng)橋梁監(jiān)測受天氣影響大、效率低的局限，探討引入GBInSAR技術(shù)實現(xiàn)時空連續(xù)的高精度橋梁變形監(jiān)測，輔以BDS-RTK技術(shù)進(jìn)行驗證與局部修正，并通過GIS三維空間可視化技術(shù)實現(xiàn)橋梁變形原因剖析及變形演變趨勢分析，為橋梁變形監(jiān)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(guān)鍵詞：CBInSAR;BDS-RTK;3DGIS;橋梁;變形監(jiān)測

中圖分類號：U447 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)量和里程已位居世界前列，據(jù)《2016年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)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(guī)模的不斷擴(kuò)張，大型橋梁已經(jīng)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(fā)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(shù)量與規(guī)模不斷增加，帶來了國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)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(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和對社會的重要性，一旦發(fā)生垮塌事故，不僅危及人們的生命財產(chǎn)安全，還會造成嚴(yán)重的社會影響和經(jīng)濟(jì)損失，因此橋梁的安全問題受到了全社會的重點關(guān)注。交通量和擁堵壓力與日驟增，原有橋梁的設(shè)計荷載已經(jīng)不能滿足現(xiàn)行使用要求，橋梁的結(jié)構(gòu)安全隨時面臨威脅，許多橋梁已逐漸進(jìn)入養(yǎng)護(hù)維修階段，而且新建橋梁的穩(wěn)定性與安全性更需經(jīng)過反復(fù)的監(jiān)測與驗證。因此，對橋梁進(jìn)行安全監(jiān)測已經(jīng)成為了橋梁設(shè)計、施工、使用和運維過程中必須考慮的重要內(nèi)容之一。

傳統(tǒng)的橋梁變形監(jiān)測方法是通過人工設(shè)置點位，采用全站儀、水準(zhǔn)儀、GPS等進(jìn)行常規(guī)大地測量，獲取監(jiān)測點位的三維坐標(biāo)。傳統(tǒng)方法在實際應(yīng)用中雖得到廣泛應(yīng)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(tǒng)的接觸式的監(jiān)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(xiàn)單點監(jiān)測，僅能代表單點變形特征，無法描述局部點集的變形規(guī)律能否完全代表橋梁整體，無法對橋梁整體進(jìn)行大范圍的面狀采樣;（3）傳統(tǒng)儀器的使用完全受制于天氣，效率低，不能實現(xiàn)全天時、全天候的連續(xù)、動態(tài)監(jiān)測工作。

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

13S技術(shù)應(yīng)用探討

“3S”技術(shù)是遙感（Remote Sensing，簡稱RS）、地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，簡稱GIS）和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，簡稱GPS）的統(tǒng)稱。3S技術(shù)及其集成是當(dāng)前測繪技術(shù)、攝影測量技術(shù)、遙感技術(shù)、地圖制圖技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、地理信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、專家系統(tǒng)、定位技術(shù)和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的結(jié)合與綜合應(yīng)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(huán)境動態(tài)監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)測與防治等國際關(guān)注的熱點問題研究中越來越受到重視。下面將探討3S技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測中的具體應(yīng)用及其帶來的各項技術(shù)革新。

1.1以地基InSAR為代表的遙感技術(shù)應(yīng)用研究

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

近幾年來，InSAR技術(shù)已成功從星載、機(jī)載平臺移植到了地面系統(tǒng)中，地基InSAR（又稱GBInSAR）與星載InSAR的原理是相同的，但可以在數(shù)分鐘內(nèi)獲取監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的高空間分辨率SAR圖像，彌補(bǔ)星載、機(jī)載重復(fù)觀測周期長、難以實現(xiàn)橋梁短周期連續(xù)監(jiān)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(yuǎn)、測量精度高、無需人為設(shè)定監(jiān)測點、儀器安放簡單、數(shù)據(jù)采集方便等優(yōu)勢，能有效解決與突破傳統(tǒng)變形監(jiān)測的局限。

IBIS系統(tǒng)是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的地基InSAR變形監(jiān)測系統(tǒng)，是由佛羅倫薩大學(xué)和IDS公司經(jīng)過六年聯(lián)合研發(fā)并成功生產(chǎn)的第一臺商用地面雷達(dá)系統(tǒng)。其中，IBIS-S系統(tǒng)主要用于大型橋梁’等線狀目標(biāo)物的微小形變監(jiān)測，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

國內(nèi)對地基InSAR技術(shù)及IBIS-S系統(tǒng)應(yīng)用于橋梁變形監(jiān)測的研究尚處于初步探討階段，而每一項新技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，都需要解決相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性、適用性、精確性等問題。本文通過綜合分析國內(nèi)相關(guān)研究成果，論述地基InSAR在未來逐步成為主流橋梁變形監(jiān)測技術(shù)的可能性：（1）地基InSAR變形監(jiān)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(jìn)軍等以長江主河道某特大型橋梁為例，開展靜態(tài)加載試驗進(jìn)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(jiān)測結(jié)果與傳統(tǒng)方法相比具有強(qiáng)相關(guān)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(guān)系數(shù)達(dá)到0.8617;（3）地基InSAR變形監(jiān)測方法具有現(xiàn)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(fù)雜環(huán)境下的橋梁變形監(jiān)測精度為0.27mm，解決實際橋梁動態(tài)變形監(jiān)測的工程問題。

因此，基于GBInSAR新技術(shù)的微變形遠(yuǎn)程監(jiān)測方法，將成為未來橋梁變形監(jiān)測的重要研究趨勢和發(fā)展方向，這不僅能獲取時空連續(xù)的橋梁整體變形信息，而且通過無線控制可實現(xiàn)無人值守的連續(xù)變形監(jiān)測，為橋梁施工階段和運營養(yǎng)護(hù)階段的長期、實時動態(tài)監(jiān)測提供可能和技術(shù)保障。

1.2 以BDS-RTK為代表的定位技術(shù)應(yīng)用研究

2017-11-05，中國第三代導(dǎo)航衛(wèi)星——北斗三號首批的兩顆組網(wǎng)衛(wèi)星以“一箭雙星”的發(fā)射方式順利升空，標(biāo)志著中國正式開始建造“北斗”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（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(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，已實現(xiàn)對亞太地區(qū)的覆蓋，可滿足中國及周邊地區(qū)的全天時、全天候?qū)Ш郊案呔榷ㄎ灰蟆?/p>

實時動態(tài)載波相位差分技術(shù)（簡稱RTK），是一種實時獲取測點高精度、高采樣頻率三維坐標(biāo)的測量方法。BDS-RTK已發(fā)展成熟，在變形監(jiān)測領(lǐng)域尤其是橋梁變形監(jiān)測上的應(yīng)用非常廣泛，已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)?shù)木群筒蓸宇l率，并且具有受外界因素影響較小的優(yōu)勢。今后，推廣使用BDS-RTK技術(shù)在橋梁變形監(jiān)測中的應(yīng)用，是推廣我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)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(jiān)測，根據(jù)橋梁微變遠(yuǎn)程監(jiān)測雷達(dá)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(chǎn)生的橫向、縱向位移分離出來。如果雷達(dá)測量時某些測點處的橫向、縱向位移很明顯，就會影響雷達(dá)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，本文探討輔以BDS-RTK的離散高精度變形監(jiān)測，對GBInSAR的變形結(jié)果進(jìn)行局部驗證，并對個別點位監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行合理修正，有效提高GBInSAR橋梁變形監(jiān)測的可靠性和準(zhǔn)確性。

1.3 以GIS為基礎(chǔ)支撐的橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

GIS具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理、分析和顯示能力，能將橋梁變形的非空間屬性信息進(jìn)行空間可視化管理。當(dāng)前組件式GIS開發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)中，為系統(tǒng)建設(shè)提供了基礎(chǔ)的平臺支撐。

通過GBInSAR和BDS-RTK技術(shù)獲取全天時、全天候、高時空分辨率的橋梁變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，我們需要通過強(qiáng)大的GIS平臺工具，對橋梁基礎(chǔ)靜態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)、動態(tài)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)以及空間位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射，實現(xiàn)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(yōu)勢?；贕IS的空間分析功能模塊，可對橋梁變形原因進(jìn)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(huán)境影響之間存在的關(guān)系，確定橋梁變形的內(nèi)因和外因。通過分析變形監(jiān)測時間序列數(shù)據(jù)，找出其中的規(guī)律，建立預(yù)測預(yù)警模型，對橋梁的變形趨勢和變形量大小進(jìn)行合理預(yù)測，輔助監(jiān)管部門的決策分析。

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

2 結(jié)語

本文分別探討3S技術(shù)中前沿、可靠、高精度的應(yīng)用技術(shù)，為今后橋梁安全監(jiān)測形成系統(tǒng)化解決方案。以國內(nèi)剛起步但具有重要影響力的GBInSAR技術(shù)作為橋梁變形監(jiān)測的主要關(guān)鍵技術(shù)，獲取0.01mm的高精度、時空連續(xù)的橋梁整體變形數(shù)據(jù)信息;考慮到雷達(dá)存在一維徑向觀測的局限，引入我國自主研發(fā)并極力推廣的BDS-RTK技術(shù)，驗證與局部改進(jìn)GBInSAR的測量結(jié)果，有效提高橋梁變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性;結(jié)合GIS強(qiáng)大的空間分析管理和三維可視化功能，實現(xiàn)對橋梁、附屬構(gòu)筑物及其周邊環(huán)境的大場景可視化模擬仿真，以及橋梁變形趨勢分析預(yù)測，更好地輔助橋梁安全監(jiān)測系統(tǒng)的建立。

因此，3S技術(shù)尤其是以GBInSAR為主，BDS-RTK為輔，并融合3DGIS的新興技術(shù)，將引領(lǐng)橋梁安全監(jiān)測領(lǐng)域的技術(shù)新典范。今后隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，定會引起橋梁安全監(jiān)測技術(shù)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(wù)支持。