高分三號衛(wèi)星雷達遙感技術(shù)在公路路基路面病害監(jiān)測的應(yīng)用與展望

王振華

摘 要：將高分三號衛(wèi)星雷達遙感技術(shù)應(yīng)用于公路路基路面病害監(jiān)測，可以大范圍捕捉到公路路基路面病害運動狀態(tài)等信息，其本身的局限性和公路病害所處的復(fù)雜地形環(huán)境使這一技術(shù)應(yīng)用面臨困難。本文對高分三號衛(wèi)星雷達遙感技術(shù)在路基路面病害檢測應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)進行了總結(jié)與分析：（1）通過提高衛(wèi)星雷達影像分辨率，使用較長波段雷達信號分析技術(shù)，可降低植被覆蓋的影響。（2）大氣延遲對衛(wèi)星遙感的影響較大，尤其是地處山區(qū)的公路路基路面病害監(jiān)測，利用通用型衛(wèi)星雷達大氣改正系統(tǒng)可顯著減弱干涉影像的大氣信號，提高病害緩慢運動的監(jiān)測質(zhì)量。（3）中等分辨率雷達影像，利用數(shù)字高程模型可提前量化分析路基路面幾何畸變引發(fā)的病害監(jiān)測;高分辨率雷達影像，利用機器學習方法自動生成病害變化預(yù)判信息，從而大幅度提高數(shù)據(jù)處理效率。（4）針對公路沿線高邊坡地形相位引起的解纏誤差，可通過基線線性組合法交叉監(jiān)測予以判斷。建議通過搭載公路路基路面病害自動化監(jiān)測系統(tǒng)平臺，推廣我國高新科技在公路病害監(jiān)測方面的應(yīng)用，以科技手段彌補人工、機械在公路養(yǎng)護中的不足，進一步提升公路突發(fā)事件應(yīng)急處治能力和精細化養(yǎng)護水平。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星雷達遙感技術(shù);公路路基路面病害監(jiān)測;應(yīng)用與展望

中圖分類號：S763 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0098-02

1 路基路面病害基本特征

路基路面病害是公路養(yǎng)護中普遍存在的、由外部因素（如行車碾壓、強降雨）觸發(fā)的失穩(wěn)變形現(xiàn)象，可引起嚴重的道路交通事故。為了降低路基路面病害對公眾出行帶來的安全駕駛隱患和威脅，有針對性的分析、掌握國省干線公路沿線路基路面及橋梁防排設(shè)施構(gòu)造物受力形變發(fā)展規(guī)律及特點，能夠依托我國現(xiàn)階段先進的精密設(shè)備、科學檢測儀器和監(jiān)測技術(shù)手段，彌補專業(yè)技術(shù)人員使用傳統(tǒng)技藝、技法存在的監(jiān)測技術(shù)漏洞，做到對國省干線公路路基路面及橋涵防排設(shè)施病害多發(fā)路段、局部山嶺丘地縱坡路段進行重點、精確、實時、有效的病害隱患監(jiān)測，并及時發(fā)現(xiàn)隱患問題，給公路養(yǎng)護管理單位提供可行的科學判斷和維修技術(shù)指導(dǎo)，這對于現(xiàn)階段公路養(yǎng)護發(fā)展具有深遠的影響。運用高分三號衛(wèi)星雷達遙感技術(shù)對公路路基路面病害進行監(jiān)測，其目的就是要養(yǎng)好公路、以群眾安全便捷出行為中心的發(fā)展思想，把群眾所思、所想、所盼深深植根于公路養(yǎng)護技術(shù)中，落實到路基路面隱患和病害的日常巡查、檢測養(yǎng)護、維修整治和公路突發(fā)事件應(yīng)急處置等具體行動上，將養(yǎng)護管理與群眾的期望緊密結(jié)合，為經(jīng)濟社會發(fā)展和群眾安全便捷出行提供良好的公路通行條件。破解眼下公路綜合保障服務(wù)水平與人民群眾日益增長的出行需求不匹配;路基路面病害日常養(yǎng)護成效、雨雪災(zāi)害等突發(fā)事件應(yīng)急處置能力與艱巨繁重的保障任務(wù)不匹配;公路路基路面隱患預(yù)防性養(yǎng)護管理水平與新時代、新形勢、新要求不匹配的公路養(yǎng)護管理困境。

公路路基路面隱患及病害發(fā)展的基本特征在空間、時間尺度上存在較大差異?？臻g上主要集中于局部路段。時間上主要表現(xiàn)在春夏消融、強降雨季節(jié)和重車長期碾壓荷載，特點主要是隨時間推移，長期緩慢運動，受氣候和過載等外部因素驅(qū)動影響，突然位移加速變化。緩慢運動階段速率較慢，定期觀測數(shù)據(jù)顯示結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。而公路路基路面構(gòu)造物位移形變、病害加速發(fā)展階段，對重點路段、頻發(fā)多發(fā)隱患點的數(shù)據(jù)觀測時間辨析準確率要求更高，必須滿足公路養(yǎng)護管理單位對病害隱患位置逐月逐日，甚至是在公路突發(fā)事件應(yīng)急保障處治過程中逐時逐刻的精準監(jiān)測。在我國山嶺丘地上運行的公路，特別是城市周邊放射性路網(wǎng)，人口增長和基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展較快，路基路面病害容易引發(fā)道路大面積擁堵，造成人員財產(chǎn)損失，甚至是嚴重的社會影響。

2 路基路面病害監(jiān)測現(xiàn)狀

公路路基路面病害監(jiān)測在部頒的現(xiàn)行養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范指導(dǎo)中，主要以日常巡查、特殊天氣巡查和定期路況檢測為主，在某一時刻對潛在安全隱患的路段主要靠人工連續(xù)巡查觀測和肉眼識別，或人工配合光學衛(wèi)星影像、全站儀、張力計、測斜儀、應(yīng)變儀和壓力計等判斷，對其開展監(jiān)測監(jiān)測技術(shù)手段，需消耗巨大的人力物力和資金成本，與現(xiàn)階段國省干線公路養(yǎng)護資金投入與監(jiān)測檢測技術(shù)投入需求相當不匹配?，F(xiàn)有的人工跟蹤觀測、技術(shù)檢測工法，主要是按照部頒《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準》（JTG F80/1-2017）采用便攜式移動觀測儀器設(shè)備對隱患路段、隱患構(gòu)造物某一處，依據(jù)規(guī)范細則規(guī)定的評定方法，以等距離選點抽檢的方式進行點位測量，其點位測量結(jié)果無法涵蓋和準確反映某一病害多發(fā)路段整個路基路面形變特征。對于滑坡等路基病害而言，難以實現(xiàn)長期連續(xù)監(jiān)測。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)觀測手段可以彌補人工檢測監(jiān)測為主的傳統(tǒng)手段的不足，提升國省干線公路路基路面隱患多發(fā)路段、病害頻發(fā)點的預(yù)判監(jiān)測精度，大幅提升隱患發(fā)現(xiàn)準確性、及時性，確保公路安全運行穩(wěn)定性。但是，與人工檢測監(jiān)測為主的傳統(tǒng)手段技術(shù)特性相似的情況是，新技術(shù)的應(yīng)用同樣難以獲取公路路基路面整體的病害發(fā)展和形變特征。綜上所述，公路養(yǎng)護管理現(xiàn)有技術(shù)技藝技法工效偏低，成本較高，面對突發(fā)狀況往往處治措施較被動，確保公路長期安全穩(wěn)定運行面臨更大的挑戰(zhàn)。

3 高分三號雷達遙感技術(shù)在公路病害監(jiān)測中的應(yīng)用

高分三號星載合成孔徑雷達對地表構(gòu)造物觀測監(jiān)測遙感技術(shù)的應(yīng)用，可以有效彌補和克服人工檢測監(jiān)測為主的工藝工法，和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)觀測手段難以獲取公路路基路面整體的病害發(fā)展和形變特征觀測手段的不足，為公路重點路段、隱患點的路基路面病害監(jiān)測提供較高分辨率、精準辨析度的公路地質(zhì)構(gòu)造物形變警示信息，實現(xiàn)公路路段點、線、面監(jiān)測、短時間與長周期相互補位的全新監(jiān)測模式，為公路病害監(jiān)測提供新的高精度量化技術(shù)手段。近十年，該技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中大量應(yīng)用。高分三號星載合成孔徑雷達對地表構(gòu)造物觀測監(jiān)測遙感技術(shù)，在國省干線公路路基路面病害監(jiān)測方面的應(yīng)用也有技術(shù)局限性，這與我國科學衛(wèi)星研發(fā)技術(shù)人員對其進行的研發(fā)初衷有很大關(guān)系。局限性主要體現(xiàn)在，該技術(shù)對我國國省干線公路所處的山嶺丘地等復(fù)雜地形環(huán)境和公路點、線、面的整體運動狀態(tài)和局部路基路面結(jié)構(gòu)形變的遙感監(jiān)測上，存在數(shù)據(jù)處理量龐大、監(jiān)控點位眾多、數(shù)據(jù)成像時間差、后期分析研判困難等問題，為充分了解高分三號星載合成孔徑雷達遙感技術(shù)，對地表構(gòu)造物觀測監(jiān)測公路路基路面病害方面的優(yōu)勢和不足，本文對高分三號衛(wèi)星雷達遙感技術(shù)在路基路面病害檢測應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)進行了總結(jié)與分析：

3.1 衛(wèi)星雷達遙感技術(shù)相干性與干涉

衛(wèi)星雷達遙感技術(shù)相干性與干涉的基本原理是利用具有干涉成像能力的一部合成孔徑雷達天線重復(fù)觀測來獲取國省干線公路路基路面病害相同位置和路段，具有一定觀測視角差的多幅相干性圖像，并由其干涉相位數(shù)據(jù)分析得出路基路面病害高程、橫縱向位移數(shù)據(jù)信息，從而重建公路路基路面隱患和病害點、線、面的可視性高清數(shù)據(jù)模型。衛(wèi)星雷達遙感技術(shù)相干性與干涉是以多次反復(fù)觀測發(fā)出回波數(shù)據(jù)信號，通過對這些相似信號重疊分析，得出所需準確信息，從而評判監(jiān)測點變化。消相干效應(yīng)是制約高分三號衛(wèi)星雷達遙感技術(shù)測量精度的瓶頸，量子計算機多重比特會與外部環(huán)境發(fā)生作用而使相干性衰減，如果消相干效應(yīng)維持時間不夠長，量子計算機運算時間受限，就無法完成計算，導(dǎo)致難以取得穩(wěn)定且有效的公路路基路面隱患發(fā)展、病害形變數(shù)據(jù)信號。能否通過提高高分三號衛(wèi)星雷達影像分辨率，使用較長波段雷達信號分析技術(shù)，可降低植被覆蓋的影響，這需要得到進一步科學論證。

3.2 大氣微波輻射干擾

大氣微波輻射量較少，在能量傳輸方面影響并不重要，但是在高分系列衛(wèi)星雷達遙感技術(shù)應(yīng)用方面，影響卻十分重要，高分三號衛(wèi)星雷達向地球信號接收中心發(fā)回信號的過程中，無線電波信號穿越大氣層時，會產(chǎn)生地球大氣電離區(qū)域延遲、大氣對流層延遲。首先，大氣電離區(qū)域延遲與該區(qū)域存在的部分電離或完全電離的磁層的電子活躍程度密切相關(guān)，特別是衛(wèi)星運行至地球南北極、赤道區(qū)域上空時，對地回傳發(fā)送的數(shù)據(jù)信號延遲干擾最為明顯。于此同時，地面接收到的數(shù)據(jù)信號，在干涉影像上呈現(xiàn)出大比例長波狀態(tài)，通過這種影像狀態(tài)往往難以監(jiān)測和判定公路路基路面病害隱患，在時間、空間上的橫縱向、高程變化。其次，大氣對流層延遲與國省干線公路路網(wǎng)分布的所在地形密切相關(guān)，當公路路基路面隱患點、病害多發(fā)路段位于山嶺丘地、山體隧道及跨越河流谷地等涉山涉水路段，或者監(jiān)測窗口期遭遇強對流天氣影響時，衛(wèi)星監(jiān)測信號反映出的對流層延遲尤為顯著。因此，在利用高分三號衛(wèi)星雷達遙感技術(shù)進行公路路基路面病害隱患監(jiān)測時，合理選擇監(jiān)測窗口期、有效調(diào)整觀測角度、最大限度降低大氣電離區(qū)域?qū)πl(wèi)星監(jiān)測的干擾至關(guān)重要。大氣延遲對衛(wèi)星遙感的影響較大，利用通用型衛(wèi)星雷達大氣改正系統(tǒng)可顯著減弱干涉影像的大氣信號，提高路基路面病害緩慢運動的監(jiān)測質(zhì)量。

3.3 斜視成像幾何畸變

針對成像幾何帶來的陰影和疊掩問題，可采用以下2種方式來應(yīng)對：

（1）在中等分辨率雷達影像，利用數(shù)字高程模型可提前量化分析路基路面幾何畸變引發(fā)的病害監(jiān)測;高分辨率雷達影像，利用機器學習方法自動生成病害變化預(yù)判信息，從而大幅度提高數(shù)據(jù)處理效率。（2）公路路基路面病害橫縱向、高程形變測量精度，在一定程度上取決于公路病害監(jiān)測路段點、線、面所處的地形地貌特征的準確性判斷。當?shù)匦蔚孛财鸱^大時，公路線性在短距離、較短高程區(qū)間內(nèi)發(fā)生較大的復(fù)雜性變化時，若時間、空間上需要觀測的基線較長、面較廣、沿線地物地貌干擾較大時，則成像幾何帶來的陰影、疊掩和不連續(xù)性更為明顯，所以必須要確保數(shù)據(jù)的空間尺度統(tǒng)一。針對公路沿線高邊坡地形相位引起的解纏誤差，可通過基線線性組合法交叉監(jiān)測予以判斷。

4 高新技術(shù)應(yīng)用展望

目前，中國和個別發(fā)達國家研制并部分發(fā)射的新一代衛(wèi)星影像質(zhì)量得到了顯著提高，在研衛(wèi)星科技水平會越來越先進，成像技術(shù)會帶來經(jīng)濟社會整體發(fā)生質(zhì)的飛躍，多平臺衛(wèi)星數(shù)據(jù)相互補充，或許能夠在一定程度上解決干涉去相干與幾何畸變的問題。干線公路建、管、養(yǎng)等各個單位的專業(yè)技術(shù)人員和養(yǎng)護工作者都將可能成為終端用戶。

對于公路路基路面病害的監(jiān)測，需要運用多技術(shù)手段才能最大程度地保障人民的生命財產(chǎn)安全，西部地區(qū)相關(guān)專業(yè)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)也至關(guān)重要。為實現(xiàn)國省干線公路“暢、安、舒、美”的養(yǎng)護目標，盡快實現(xiàn)公路養(yǎng)護技術(shù)革新，滿足公眾日益增長的安全出行需要，亟需推廣運用先進的公路病害監(jiān)測技術(shù)、并結(jié)合現(xiàn)有傳統(tǒng)工藝工法，通過搭載公路路基路面病害自動化監(jiān)測系統(tǒng)平臺，將我國高新科技應(yīng)用，盡早推廣到祖國西部廣袤土地上的公路病害監(jiān)測方面，并做好質(zhì)量控制，以科技手段彌補人工、機械在公路養(yǎng)護中的不足，進一步提升公路突發(fā)事件應(yīng)急處治能力和精細化養(yǎng)護水平。