基于時序InSAR技術監(jiān)測大橋歷史形變

陳艷青，趙景堂

(1.西寧市測繪院，青海 西寧 810001;2.南通拓爾普測繪信息有限公司,江蘇 南通 226300)

橋梁是大眾交通的重要組成部分，是公路路網和鐵路路網中的重要環(huán)節(jié)，是保證道路全線通車的咽喉。橋梁作為重要的交通設施，對于保證和促進社會經濟發(fā)展起著基礎性的作用。

橋梁一旦損壞或坍塌，造成的經濟損失是無法估計的，甚至會付出生命的代價[1]。對橋梁基礎設施的安全監(jiān)測成為了當下一個越來越重要的工作。通過監(jiān)測可以對橋梁設施的承載安全性和勞損程度做出科學的評價，從而對橋梁設施實施維護和保養(yǎng)工作，避免災害性的倒塌和破損現(xiàn)象發(fā)生。

過往對于橋梁基礎設施的監(jiān)測技術手段主要以傳統(tǒng)監(jiān)測技術為主[2]。但是，傳統(tǒng)監(jiān)測方法也會受限于復雜的天氣環(huán)境和空間環(huán)境，耗費過多的人力物力資源。這就大大影響了監(jiān)測工作的實時性和客觀可靠性[3]。近年來，隨著合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)形變監(jiān)測技術的成熟和高分辨雷達衛(wèi)星SAR數(shù)據商業(yè)化的推進，該技術已經越來越廣泛運用于對地表監(jiān)測研究。雷達遙感衛(wèi)星可以對地進行全天時、全天候的觀測成像，InSAR技術則可以對橋梁觀測數(shù)據進行面上處理獲取形變信息成果。這很好地彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測技術的缺陷。其中，基于InSAR技術衍生發(fā)展起來的時序小基線集技術(Small baseline subset, SBAS)以高精度(mm級別)著稱[4-5]。

本文將河源東江大橋作為實驗研究目標對象，基于雷達衛(wèi)星數(shù)據源獲取9景影像，依次通過合成孔徑雷達差分干涉測量技術(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,DInSAR)和SBAS技術處理影像數(shù)據獲取監(jiān)測時間內橋梁的形變信息。通過聯(lián)合對比兩種InSAR技術所獲取成果分析橋梁在監(jiān)測時間內的歷史形變規(guī)律特征，同時基于橋梁的歷史資料和一般性發(fā)展規(guī)律合理科學推斷和證明災害性垮塌成因機理。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)域背景及研究意義

東江大橋位于河源市區(qū)城郊，由廣東省公路勘察設計院設計，廣東省公路工程處施工，于1972年建成通車，至今已47年。大橋跨越東江，西北至東南走向，為6孔50 m跨徑懸砌拱橋，凈寬7+2X10(m)，全長420.06 m，主拱矢度1/6，是建國以來河源第二座跨江大橋。當?shù)厝朔Q之為紫金橋或河紫橋。2007年，經檢測，東江大橋中間一處橋拱圈被發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了幾處小裂縫，西側橋臺出現(xiàn)輕微錯位現(xiàn)象。為了確保行人和行車安全，相關部門自2008年起對該橋實施限行措施，對保護該橋和車輛、行人的安全起到了一定作用。但由于中型以上的車輛禁止通行，給周圍群眾出行帶來了不便。根據公開資料，東江大橋此次垮塌的第3、4孔位于橋中間，每孔長度為60 m。2007年該橋被查出拱圈裂縫和橋臺錯位，2008年開始限行，2015年及2017年分別有過維修記錄。2019-06-14，河源市市區(qū)公路局發(fā)布通報，14日凌晨02:12，河源市源城區(qū)東江大橋第3跨第2橋墩以及第4跨第3橋墩出現(xiàn)垮塌(見圖1)。據初步調查，有2輛小型車輛掉落水中，除救起1人外，其他傷亡不明。

圖1 東江大橋事故現(xiàn)場

本研究實例DInSAR技術，采集河源市(含東江大橋)有效的衛(wèi)星雷達數(shù)據，通過常規(guī)差分干涉測量技術分析該橋梁在臨近垮塌前后橋梁的形變。通過時間序列分析初步分析出該橋梁發(fā)生形變突變的空間位置，及早發(fā)現(xiàn)災害隱患點，并分析出其形變規(guī)律及其危險程度。

1.2 研究區(qū)域基本簡介

河源東江大橋為6孔50 m跨徑懸砌拱橋，凈寬9 m，全長420.06 m(見圖2)。主拱矢度1/6，空心混凝土預制塊拱圈采用橫向懸砌法施工。橫向懸砌新工藝是將拱圈橫向分成若干條拱肋，每條肋縱向又分為若干砌塊。中間一條拱肋(基肋)可在簡易支架上拼裝，也可用纜索無支架吊裝?；吆蠑n后，以基肋為支承，向兩側逐肋橫向懸臂拼砌，分肋合攏。橫向懸砌拱的砌塊有斜版式和箱式，其重心垂線都落在前一條拱肋邊緣線以內，保證其施工中的穩(wěn)定性，于1972年建成通車。

圖2 河源市原東江大橋圖

2 實驗數(shù)據和方法

2.1 數(shù)據

對于星載SAR傳感器來說，波長的選擇決定了InSAR反演結果的形變監(jiān)測精度[9-10]。InSAR進行形變監(jiān)測的原理決定了波長稍長的傳感器在保證干涉圖相位的相干性上具有較大的優(yōu)勢，目前在軌的SAR衛(wèi)星傳感器有波長稍短的C波段傳感器sentinel-1、RADARSSAT-2；工作于波長稍長對的L波段傳感器ALOS2-PALSAR傳感器；工作于波長更短的X波段的COSMO-SkyMed星座、TerraSAR/TanDEM雙星星座。其中Sentinel-1星座由更為先進的傳感器設計，具有更為廣闊的成像區(qū)域，同時保有相當高的地面分辨率(5 m×20 m)。這樣的特點使得SAR影像能覆蓋更大的范圍，在進行基于InSAR技術的地面形變反演能夠覆蓋更大的范圍，更多存在于大空間尺度上的地表形變現(xiàn)象就能夠被監(jiān)測出來。本次實驗將采用干涉寬幅模式的SAR影像進行InSAR反演。SAR數(shù)據均為雙極化模式的IW(干涉寬幅)模式下獲取，雷達影像圖像水平方向上的分辨率為距離向可達5 m，方位向可達20 m。詳細影像數(shù)據信息見表1。

表1 SAR數(shù)據集

2.2 方法

在使用InSAR技術對河源市東江大橋進行形變監(jiān)測的過程中，使用兩種InSAR數(shù)據處理方法，分別是DInSAR方法和SBAS方法。由于SBAS方法在數(shù)據處理模型上對于相干目標點的篩選更為嚴格，因此在使用SBAS方法進行形變反演的時候，在反演結果中將會獲取較少的相干目標。同時，本研究采用兩軌法DInSAR方法對原始數(shù)據集中的雷達影像進行數(shù)據處理。使用DInSAR進行數(shù)據處理的過程中，由于相干目標只在一個干涉對中搜索，而不是整個雷達影像數(shù)據集，因此使用DInSAR技術進行反演的結果中將會獲取到更多的相干目標用于分析。

首先是采用DInSAR技術，使用采集日期較早的影像作為主影像，采集日期鄰近的影像作為從影像，使用兩軌法DInSAR技術進行數(shù)據處理。本項目使用的DInSAR兩軌法的干涉對為M20181227_S20190120, M20190120_S20190201, M20190201_20190213, M20190213_S20190309, M20190309_S20190414, M20190414_S20190508, M20190508_S20190520, M20190520_S20190613，其中變化的量級為毫米級。二軌法需要兩兩SLC數(shù)據和DEM(對干涉相位解纏，而不是對差分相位解纏)，這樣可以改進模擬的地形相位，其中DEM數(shù)據模型為ALOS3D，流程主要包括：影像配準、干涉圖生成、模擬地形相位、差分干涉、噪聲濾除、干涉圖相位解纏、生成形變圖。

同時也對SLC影像數(shù)據集采用了SBAS方法進行數(shù)據處理。在SBAS數(shù)據處理方法中，由于能夠使用多個干涉對之間進行差分，并且在整個干涉數(shù)據集中使用濾波器進行大氣相位的去除操作。因此與傳統(tǒng)的DInSAR技術對比，具有解更為穩(wěn)定，解算錯誤較少的優(yōu)點。SBAS方法首先將所收集的SAR數(shù)據按照一定的原則組合成若干集合，對集合內的干涉對進行常規(guī)差分干涉，獲得解纏后的時間相位系列，然后對相干性高的點求解沉降速率和各時間點的累積形變量。實現(xiàn)處理步驟主要為：差分干涉圖的生成、高相干目標點的選取、高相干點沉降速率和形變場的獲取、最小二乘方法運算模型、奇異值分解(SVD)方法解構[6-8]。其中實驗處理流程設定數(shù)據集合中垂直基線閾值為150 m，時間基線閾值為180 d，通過自由組合生成30個基于不同主影像的干涉對。時空基線關系構成如圖3所示。

圖3 SBAS干涉像對連接圖

3 實驗成果及分析

從DInSAR的橋面反演結果(見圖4)可以發(fā)現(xiàn)在東江大橋橋面上的變化較小，垂直方向上沒有出現(xiàn)明顯的沉降信號或抬升信號。同時可以看到在DInSAR的反演結果中顯示大橋兩岸的地物變化比較小，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此，可以認為基于DInSAR方法所得到的測量結果中，目標區(qū)域的變化較為平緩，而且變化的量級較小。

圖4 D_InSAR反演結果

而在使用SBAS方法反演獲得的結果中(如圖5所示)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測大橋區(qū)域目標點比較稀少，而周遭區(qū)域目標點卻均勻分布。這是由于雷達影像在覆蓋大橋中段的像元的信噪比較低，干涉相位的相干性較差。因此在SBAS反演模型中為了保證解纏結果中不出現(xiàn)區(qū)域性的解纏錯誤，解纏路徑繞過該部分像元，因此在SBAS方法的反演結果中這部分數(shù)據出現(xiàn)缺失。由此，為了完成對大橋的形變歷史分析，可以通過在大橋橋面的關鍵部位進行目標點采樣?；诓蓸幽繕它c進行時間序列上的形變分析，挖掘大橋的整體形變細節(jié)特征。采樣點分布細節(jié)見圖6。

圖5 SBAS結果采樣點分布

從采樣點的形變時間序列(圖7、圖8)來說，橋梁東側橋面上的采樣點(編號78，79，81見圖5采樣點的平面分布圖)的反演結果顯示，在2019-05-08—05-20觀測的數(shù)據之間出現(xiàn)了一個較為明顯的下沉回彈變形趨勢，形變量約為6 mm。其中78號點位于五號墩上方橋面，79號點位于五號墩西側約10 m的橋面，82號點則位于大橋西側的大橋主體外的引橋部分(圖5)。同時橋梁西側的采樣點則沒有呈現(xiàn)明顯的變化。由于衛(wèi)星數(shù)據集沒有獲取該大橋在進行整修期間的影像數(shù)據，因此這樣的變化原因與維護活動無關。而據采樣點的變化時間序列來說，雖然橋上的不同部位呈現(xiàn)不同的變化趨勢，但是變化的量級均比較小，因此采樣點可以看作是穩(wěn)定的。從這些目標點上的形變時間序列結果可以發(fā)現(xiàn)在橋梁的兩岸引橋部分的變化是比較小的(圖7、圖8)。由此，可以認為基于SBAS方法所得到的測量結果中，目標區(qū)域仍舊顯示出了平穩(wěn)發(fā)展的趨勢。

圖6 東江大橋SBAS反演結果采樣點分布

圖7 河源市東江大橋橋面(西側)采樣點SBAS反演結果采樣點垂直形變時間序列變化

圖8 河源市東江大橋橋面(東側)采樣點SBAS反演結果采樣點垂直形變時間序列變化

據資料顯示河源東江大橋在垮塌事故發(fā)生之前，東江大橋上游的楓樹壩水庫由于河源市地區(qū)連續(xù)多日的持續(xù)性強降水而進行連續(xù)多日的泄洪作業(yè)，事發(fā)水域水流較為湍急。有關分析顯示該橋梁垮塌事故是由于橋梁第三拱強度不足造成。原因有可能是水流的沖刷、漂流物的撞擊或者是由于水的浸泡造成拱腳混凝土強度的降低。而使用InSAR技術所獲取的結果顯示，該大橋在事發(fā)之前所能監(jiān)測到的部分沒有出現(xiàn)明顯的形變，一定程度能夠佐證大橋的事故原因是突發(fā)的因素,例如物體撞擊或者水流的沖刷造成。

4 結束語

本研究使用SAR衛(wèi)星干涉寬幅模式的雷達影像數(shù)據集對河源市東江大橋的形變變化進行研究。在本實驗中同時使用了DInSAR技術以及SBAS技術兩種不同的InSAR測量技術進行聯(lián)合研究，旨在針對兩種不同的技術所具有的優(yōu)點以及缺點進行互補，盡可能的發(fā)掘衛(wèi)星雷達數(shù)據的形變測量能力。通過兩種不同InSAR技術監(jiān)測所得成果均顯示該大橋在監(jiān)測時間內處于平穩(wěn)狀態(tài)，并沒有出現(xiàn)不均勻形變的發(fā)展趨勢。通過結合橋梁形變規(guī)律和歷史存檔資料綜合分析認為橋梁垮塌成因來自于突發(fā)的因素，例如物體撞擊或者水流的沖刷造成。綜上，InSAR技術所能提供的形變速度以及形變時間序列結果能夠為橋梁基礎設施災害防治工作初期普查以及成因初步分析提供較為可靠的數(shù)據來源。