時序InSAR技術(shù)在跨江大橋形變監(jiān)測中的應用研究

游楠 劉效東

摘要 跨江大橋作為城市交通的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性備受關注。時序干涉合成孔徑雷達（InSAR）技術(shù)因精度高、成本低、監(jiān)測范圍廣等特點，在跨江大橋形變監(jiān)測中得到廣泛應用。文章研究了時序InSAR技術(shù)在跨江大橋結(jié)構(gòu)變化監(jiān)測中的方法和流程，通過多時相雷達影像的獲取和處理，能夠及時監(jiān)測大橋的形變情況，為工程管理提供及時準確的數(shù)據(jù)支持。應用時序InSAR技術(shù)對監(jiān)測結(jié)果進行分析，分析大橋結(jié)構(gòu)在不同時間段內(nèi)的形變規(guī)律，為工程安全評估提供了可靠的依據(jù)，并結(jié)合實地監(jiān)測和數(shù)值模擬驗證了時序InSAR技術(shù)的高精度和可靠性。

關鍵詞 時序InSAR技術(shù)；跨江大橋；形變監(jiān)測；監(jiān)測技術(shù)

中圖分類號 U655.54文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）07-0011-03

0 引言

隨著城市化進程的加快和經(jīng)濟的快速發(fā)展，跨江大橋作為城市交通的重要組成部分，其安全性和穩(wěn)定性備受關注。大橋結(jié)構(gòu)的長期使用和外部因素的影響可能導致橋梁的形變，進而影響其結(jié)構(gòu)性能和安全性，因此，對跨江大橋的形變監(jiān)測成為一項至關重要的任務。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測方法，如全站儀、GNSS等，雖然能夠提供一定程度的監(jiān)測信息，但由于其測量特性和受到天氣等條件限制，難以實現(xiàn)全面、高精度、實時的監(jiān)測。為了解決這一問題，近年來，時序干涉合成孔徑雷達（InSAR）技術(shù)逐漸成為大型橋梁形變監(jiān)測的研究熱點。InSAR技術(shù)基于雷達信號的相位差異，通過對多時相的雷達影像進行差分處理，實現(xiàn)對地表形變的高精度監(jiān)測。相較于傳統(tǒng)監(jiān)測手段，InSAR技術(shù)具有全天候、全時段、高精度等優(yōu)勢，尤其適用于大范圍區(qū)域的形變監(jiān)測[1]。

該文旨在探討時序InSAR技術(shù)在跨江大橋形變監(jiān)測中的應用，并通過實地監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，驗證其在大橋結(jié)構(gòu)變化檢測中的可行性和有效性。通過深入研究，為跨江大橋的安全管理和維護提供科學的監(jiān)測手段，為大橋工程的長期穩(wěn)定運行提供技術(shù)支持。

1 時序InSAR技術(shù)在跨江大橋形變監(jiān)測中的流程

1.1 數(shù)據(jù)獲取

跨江大橋形變監(jiān)測的第一步是獲取合適的雷達影像數(shù)據(jù)，以便進行時序InSAR分析。數(shù)據(jù)的獲取涉及衛(wèi)星或飛機平臺上搭載合成孔徑雷達（SAR）傳感器，并在一段時間內(nèi)多次觀測同一區(qū)域。以下是數(shù)據(jù)獲取的關鍵步驟：

（1）衛(wèi)星選擇。選擇搭載SAR傳感器的衛(wèi)星，考慮衛(wèi)星的軌道、重訪周期、分辨率等因素，一些常用的衛(wèi)星包括歐洲航天局的Sentinel-1、加拿大雷達衛(wèi)星（RADARSAT）等，它們提供了全球范圍內(nèi)高質(zhì)量的SAR影像數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)獲取周期。確定監(jiān)測的時間范圍和頻率，以確保獲得足夠的時序數(shù)據(jù)。通常，選擇多個時間點的SAR影像，使得這些時間點之間有足夠的時間間隔，以便觀察跨江大橋的形變變化。

（3）數(shù)據(jù)格式與處理。獲取的SAR數(shù)據(jù)可能以原始數(shù)據(jù)格式存在，需要進行預處理，包括輻射定標、幾何定標、大氣校正等，以確保后續(xù)形變監(jiān)測的精度。

（4）選擇數(shù)據(jù)空間分辨率。考慮監(jiān)測區(qū)域的大小和所需的形變監(jiān)測精度，選擇合適的數(shù)據(jù)空間分辨率，較高分辨率的影像可提供更為詳細的形變信息，但也需要更大的存儲和計算資源。

（5）數(shù)據(jù)覆蓋范圍。確保所選數(shù)據(jù)覆蓋了跨江大橋及其周邊區(qū)域，以便全面監(jiān)測橋梁的形變情況。

1.2 形變監(jiān)測參數(shù)

形變監(jiān)測是時序InSAR技術(shù)的關鍵應用之一，旨在通過分析雷達影像的相位變化來推測地表的形變情況。

時序InSAR的核心技術(shù)之一是通過對多時相的雷達干涉圖進行相位差分，得到不同時間點之間的相位變化。相位差分計算的基本公式如式（1）所示：

T=Tm?Tx （1）

式中，T——相位差分；Tm、Tx——主、從影像的相位值。這一步驟的結(jié)果反映了地表在兩個不同時刻的形變情況[2]。

通過對差分干涉圖進行處理，可以計算出地表在雷達視線向（LOS）的形變情況，綜合所有的差分干涉圖可以獲得地表在監(jiān)測持續(xù)時間內(nèi)的形變情況。形變監(jiān)測精度是評估時序InSAR技術(shù)實際應用效果的重要指標，它受到多種因素的影響，包括衛(wèi)星軌道參數(shù)、大氣條件、干涉圖的相干性等。通過對監(jiān)測結(jié)果的精度分析，可以更好地理解跨江大橋的形變情況，并為后續(xù)的結(jié)構(gòu)健康評估提供可靠的依據(jù)。時序InSAR技術(shù)能夠提供多個時間點的形變監(jiān)測結(jié)果，因此，時間分辨率是一個重要的監(jiān)測參數(shù)。較高的時間分辨率可以更精細地捕捉到形變的瞬時變化，有助于更準確地分析橋梁結(jié)構(gòu)的臨時性變化。綜合考慮以上形變監(jiān)測參數(shù)，可以全面了解跨江大橋的形變情況，為工程安全評估和維護提供重要的參考依據(jù)。

2 時序InSAR技術(shù)的應用

2.1 監(jiān)測結(jié)果分析

利用時序InSAR技術(shù)對跨江大橋進行形變監(jiān)測從而得到監(jiān)測結(jié)果，需要經(jīng)過深入的分析和解釋，以得出對橋梁變化的合理理解?；跁r序InSAR技術(shù)獲得的形變場，生成形變分布圖，形變分布圖通常以色彩漸變表示形變的大小和方向，提供直觀的形變信息。通過形變分布圖，可以初步了解橋梁不同部位的形變情況。在形變場中，可能存在一些異常形變點，表示橋梁的局部異常變化，通過使用統(tǒng)計方法或空間分析技術(shù)，可以識別這些異常形變點，并進一步分析其可能的原因，如錯誤解纏，噪聲誤差、大氣影響誤差等誤差項影響過大，甚至可能是大橋的不穩(wěn)定形變等。時序InSAR技術(shù)的作用是對形變區(qū)域關鍵特征的實時監(jiān)測，該技術(shù)首先從采集的多個影像中提取一幅主影像，然后將其與其他相關影像進行匹配。通過分析這些影響之間的相互干涉關系，借助差分處理方法，獲取影響的干涉相位信息。這一過程使得時序InSAR技術(shù)能夠有效地捕捉地表形變的微小變化，并提供高精度的監(jiān)測結(jié)果。影像中的第k幅干涉對，如式（2）所示：

式中， ——高精度監(jiān)測結(jié)果下的地表形變微小變化；——由地形引起的相位；——由形變引起的相位；——由大氣延遲引起的相位；——由平地效應引起的相位；——噪聲相位。

對監(jiān)測時間序列數(shù)據(jù)進行分析，以了解形變的時間演化規(guī)律，通過繪制形變時間序列圖，可以觀察到橋梁在不同時間段內(nèi)的形變趨勢，有助于判斷形變是瞬時的還是逐漸積累形成的。將形變監(jiān)測結(jié)果與外部因素（如溫度等）進行關聯(lián)分析，以排除或量化外部因素對形變的影響，從而更準確地判斷形變是否與結(jié)構(gòu)問題相關?；谛巫儽O(jiān)測結(jié)果和分析，進行橋梁結(jié)構(gòu)的健康評估，識別橋梁是否存在異常形變的問題，為維護橋梁提供依據(jù)。驗證監(jiān)測結(jié)果的準確性和可靠性，并對監(jiān)測精度進行評估，是確保監(jiān)測結(jié)果可信的關鍵，也有助于改進監(jiān)測方法和參數(shù)[3]。通過以上分析，可以更好地理解跨江大橋的形變情況，為工程管理提供科學依據(jù)，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

2.2 形變規(guī)律揭示

時序InSAR技術(shù)在跨江大橋形變監(jiān)測中能夠揭示橋梁結(jié)構(gòu)的形變規(guī)律，為工程管理提供深入的洞察。通過分析時序InSAR數(shù)據(jù)，可以觀察到橋梁結(jié)構(gòu)在不同季節(jié)、氣候條件下的形變變化，季節(jié)性形變可能與溫度等環(huán)境因素相關，了解這些規(guī)律有助于區(qū)分自然環(huán)境引起的形變和結(jié)構(gòu)問題導致的形變。監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠揭示橋梁結(jié)構(gòu)對外部負載和影響的響應，例如，當車流量變化、風荷載加大或其他外部因素作用時，橋梁的形變會發(fā)生相應的變化，了解橋梁在實際使用條件下的動態(tài)響應特性[4]。

時序InSAR數(shù)據(jù)的長時間序列監(jiān)測能夠揭示橋梁結(jié)構(gòu)的漸進性形變，這類形變可能是結(jié)構(gòu)疲勞、沉降或其他長期因素引起的，需要及時識別和監(jiān)測，以確保結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。時序InSAR監(jiān)測結(jié)果中的異常形變點可能暗示著橋梁結(jié)構(gòu)的局部問題，通過深入分析這些異常點，可以識別結(jié)構(gòu)破損、裂縫或其他異常情況，為維護和修復提供指導。揭示形變與環(huán)境因素之間的關聯(lián)，例如，確定形變與溫度、濕度、降雨等因素的相關性。這有助于量化外部因素對形變的影響，提高對形變規(guī)律的理解。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期趨勢分析，可以預測橋梁結(jié)構(gòu)未來的形變發(fā)展趨勢。這對于規(guī)劃維護和修復工作具有重要意義，可以確保橋梁結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性使用[5]。在了解形變規(guī)律后，時序InSAR技術(shù)為跨江大橋的安全管理和維護提供了有力的支持，使工程管理者能夠更深入地了解結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)并采取相應的措施。

3 實驗研究

為了驗證時序InSAR技術(shù)在跨江大橋形變監(jiān)測中的應用效果，設計對比實驗，分析引入InSAR技術(shù)前后跨江大橋形變監(jiān)測的準確率和監(jiān)測時間。實驗選用的是歐洲的航天局33景Sentinel-1C波段IW模式SAR衛(wèi)星影響，幅寬為250 km，影像分辨率為5 m×20 m，根據(jù)地形選取多個采樣點裝置傳感設備進行監(jiān)測。

3.1 監(jiān)測準確率實驗結(jié)果

基于相同的觀測傳感設備，將監(jiān)測所得形變數(shù)據(jù)信息導入處理系統(tǒng)，得到監(jiān)測準確率實驗結(jié)果，如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，引入時序InSAR技術(shù)后，跨江大橋形變監(jiān)測的準確率得以顯著提高。時序InSAR技術(shù)能夠提供高時空分辨率的形變監(jiān)測數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，如全站儀或GPS，時序InSAR能夠以更高的空間分辨率捕捉到地表形變的微小變化，使得監(jiān)測結(jié)果更為精細。時序InSAR利用多個時間點的雷達影像數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了全時段的監(jiān)測，能夠觀測到橋梁結(jié)構(gòu)在不同季節(jié)、不同天氣條件下的形變變化，從而更全面地了解結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。由于雷達傳感器具有全天候的工作能力，不受天氣條件的限制，時序InSAR技術(shù)能夠在各種氣象條件下進行監(jiān)測，這對于跨江大橋這類特殊環(huán)境下的監(jiān)測尤為重要，確保了監(jiān)測的連續(xù)性和可靠性。通過對多時相的雷達影像進行相位差分，時序InSAR能夠有效減小大氣、地形等因素對監(jiān)測結(jié)果的影響，提高形變監(jiān)測的精度，尤其是在復雜地形和多變氣象條件下。時序InSAR技術(shù)提供了長時間序列的監(jiān)測數(shù)據(jù)，使得可以進行對形變的連續(xù)監(jiān)測和趨勢分析，通過觀察形變的長期演化趨勢，能夠更好地理解結(jié)構(gòu)的漸進性形變，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題。

3.2 監(jiān)測時間實驗結(jié)果

得到的監(jiān)測時間實驗結(jié)果，如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，引入時序InSAR技術(shù)后，跨江大橋形變監(jiān)測的時間大幅縮短。時序InSAR技術(shù)能夠利用多個時間點的雷達影像數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。相較于傳統(tǒng)手段，這意味著可以在相對較短的時間內(nèi)獲取多個監(jiān)測時刻的數(shù)據(jù)，而不必等待特定的監(jiān)測窗口，在較短時間內(nèi)獲取全面的形變信息。時序InSAR技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取和處理過程相對迅速，一旦有新的衛(wèi)星或飛機觀測數(shù)據(jù)，就可以立即進行處理，生成相應的形變監(jiān)測結(jié)果，這使得監(jiān)測更接近實時，而不需要等待較長的數(shù)據(jù)處理周期。時序InSAR技術(shù)通過多時相的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，可以提供更高頻率的監(jiān)測結(jié)果，在較短的時間內(nèi)可以獲取更多的監(jiān)測點，更詳細地了解橋梁結(jié)構(gòu)的形變特征。

總體而言，時序InSAR技術(shù)的引入增強了跨江大橋形變監(jiān)測的全面性、精細性和連續(xù)性，為工程管理提供了更為可靠的監(jiān)測手段，使得對橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的評估更加準確和及時。

4 結(jié)束語

時序InSAR技術(shù)在跨江大橋形變監(jiān)測中的應用，為橋梁結(jié)構(gòu)的安全性管理和維護提供了一種先進且高效的手段。通過對衛(wèi)星或飛機平臺上獲取的多時相雷達影像數(shù)據(jù)的分析，能夠?qū)崟r、全面地監(jiān)測跨江大橋的形變情況，揭示結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應和長期演變規(guī)律。該文深入探討了時序InSAR技術(shù)的應用流程，包括數(shù)據(jù)獲取、形變監(jiān)測參數(shù)選擇以及監(jiān)測結(jié)果的分析。通過這一綜合的技術(shù)框架，能夠獲取高精度、全時段、全天候的形變監(jiān)測數(shù)據(jù)，為工程管理提供了全新的視角。監(jiān)測結(jié)果的分析揭示了橋梁結(jié)構(gòu)在不同時間尺度下的形變規(guī)律，包括季節(jié)性形變、結(jié)構(gòu)響應、漸進性形變等方面。對這些規(guī)律的深入理解，能夠更加詳盡地了解結(jié)構(gòu)健康狀況，有助于及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題，確保橋梁的安全運行。

然而，時序InSAR技術(shù)在跨江大橋形變監(jiān)測中的應用也面臨一些挑戰(zhàn)，如大氣影響、數(shù)據(jù)處理復雜性等，未來的研究需要進一步提高監(jiān)測精度、優(yōu)化算法，并結(jié)合多源數(shù)據(jù)進行綜合分析，以應對復雜的監(jiān)測環(huán)境和實際工程需求。

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