長時間序列干涉SAR技術(shù)在橋梁形變監(jiān)測中的研究進(jìn)展

摘要 為解決傳統(tǒng)測量方式無法對橋梁整體沉降和形變進(jìn)行大區(qū)域、長時間監(jiān)測的問題，利用合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）技術(shù)可對大橋整體形變進(jìn)行全天候、全天時、長時間的監(jiān)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(shù)方法的理論原理，并針對橋梁特定目標(biāo)，分析了該技術(shù)在監(jiān)測橋梁形變中的技術(shù)優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，為橋梁形變監(jiān)測提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 SAR；橋梁形變；PSInSAR；SBAS-InSAR

中圖分類號 U446 文獻(xiàn)標(biāo)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(shè)在我國近幾十年得到了迅猛發(fā)展，極大地縮短了兩岸的交通距離，在社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)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(huán)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(jié)構(gòu)變形的情況。橋梁的變形在一定范圍內(nèi)被認(rèn)為是允許的，如果超出允許值，則可能引發(fā)災(zāi)害，甚至坍塌，對于大型橋梁來說，突發(fā)性的災(zāi)害往往都是巨大的，造成的影響也是非常嚴(yán)重的，甚至?xí)?yán)重威脅人民群眾的生命安全且給社會經(jīng)濟(jì)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(jiān)測，預(yù)防控制橋梁出現(xiàn)的各項安全隱患，具有重要的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測主要利用全站儀和水準(zhǔn)儀分別進(jìn)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(shù)的發(fā)展，GNSS（Global Navigation Satellite System）技術(shù)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(jiān)測點的結(jié)構(gòu)形變。但是在高山峽谷、建筑物密集地區(qū)，由于多路徑效應(yīng)的影響，其監(jiān)測精度和可靠性不高，同時無法達(dá)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(dá)差分干涉測量（DInSAR）技術(shù)能達(dá)到毫米級的監(jiān)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(jiān)測分析中大型跨江橋梁的整體形變情況，可實現(xiàn)對橋梁的高頻次動態(tài)監(jiān)測。長時間序列干涉SAR技術(shù)精度可達(dá)毫米級。面對橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及線狀目標(biāo)的特點，對其進(jìn)行針對性處理，可以保證形變監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，近些年來在實際監(jiān)測中利用不同波段的SAR數(shù)據(jù)都取得了成功的應(yīng)用[1，2]。該文討論了長時間序列干涉SAR的技術(shù)原理，并分析了長時間序列干涉SAR在橋梁形變監(jiān)測中的應(yīng)用和挑戰(zhàn)，綜合分析了干涉SAR技術(shù)在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 長時間序列干涉SAR技術(shù)方法

傳統(tǒng)的兩軌法或三軌法DInSAR技術(shù)測量的結(jié)果整體上來說是連續(xù)的，該方法只使用兩景或三景影像，數(shù)據(jù)需求少，沒有總體上的累積誤差，數(shù)據(jù)處理簡單。其誤差主要來源于大氣傳播過程、系統(tǒng)熱噪聲及數(shù)據(jù)處理過程中的系統(tǒng)誤差。但對緩慢形變的監(jiān)測應(yīng)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(shù)，其中基于長時間序列干涉SAR技術(shù)應(yīng)用最為突出。

長時間序列干涉SAR是通過獲取研究區(qū)研究時段內(nèi)的一系列影像，通過配準(zhǔn)、差分干涉等步驟，再采用一些準(zhǔn)則，選取出具有強相干性的穩(wěn)定點，最后利用濾波技術(shù)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(biāo)形變的技術(shù)方法。在長時間序列干涉SAR中，PS（Permanent Scatterers）技術(shù)和SBAS（Small Baseline Subset）技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。

1.1 PS-InSAR技術(shù)

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(dá)：

式中，i——像元號；rTi——研究目標(biāo)在該時間段內(nèi)的形變大??；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(tǒng)的差分干涉方法無法進(jìn)行有效的分離，于是Ferretti等提出了PS技術(shù)[3]，PS點為在長時間間隔內(nèi)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(guān)及大氣相位項的影響，即得到精確的目標(biāo)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(dá)為：

式中，a——常數(shù)；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(biāo)T為向量或矩陣的轉(zhuǎn)置操作。在計算出后，對上式進(jìn)行迭代法求解，即可求出目標(biāo)的線性形變速度[4]。

1.2 SBAS-InSAR技術(shù)

小基線集技術(shù)（SBAS-InSAR）利用小基線距避免空間失相關(guān)，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(xù)，結(jié)合穩(wěn)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(shù)首先對N幅時間序列影像按時間t0，t1，…，tN進(jìn)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(yīng)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(shù)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(shè)忽略這些誤差，則上式可表達(dá)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(shù)在橋梁形變監(jiān)測應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

2.1 SAR數(shù)據(jù)獲取

橋梁的特征為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的線性小目標(biāo)，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(jìn)入穩(wěn)定階段。在SAR數(shù)據(jù)的選擇上通常考慮其波長及空間分辨率等參數(shù)。時間分辨率由于橋梁作為硬目標(biāo)的特性，且形變緩慢，通常星載SAR的重訪周期都可滿足監(jiān)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(jiān)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(jiān)測應(yīng)用中，由于大氣去相干的影響，其配準(zhǔn)難度也更具挑戰(zhàn)。

空間分辨率主要體現(xiàn)在監(jiān)測的精細(xì)程度，對橋梁形變細(xì)節(jié)的反映上。大型橋梁的主塔、橋面等結(jié)構(gòu)形變程度往往不同，高分辨率SAR數(shù)據(jù)能更精細(xì)地體現(xiàn)橋梁各主要位置的形變，而低分辨率數(shù)據(jù)由于單個像元尺度大，像元內(nèi)包含的結(jié)構(gòu)對象更多，因此無法區(qū)分細(xì)微結(jié)構(gòu)的形變特征。

目前主要的星載SAR數(shù)據(jù)系列有：Sentinel-1A/B、TerraSAR-X、Cosmo-SkyMed及ALOS等，在橋梁監(jiān)測中的主要的特征如表1。

2.2 穩(wěn)定點的提取

由于橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)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(zhì)，多路徑效應(yīng)都會引起SAR信號的不穩(wěn)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(fēng)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(dá)到數(shù)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(jié)構(gòu)會造成雷達(dá)回波陰影的產(chǎn)生、橋梁頂?shù)孜灰频榷喾N原因形成去相干的現(xiàn)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(shù)據(jù)不連續(xù)，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(wěn)定點的選取造成一定的困難。另一方面，所選取的穩(wěn)定點的密度低將導(dǎo)致相鄰點的相位跳變大，引起后續(xù)相位及形變回歸提取的難度，造成監(jiān)測精度的降低。

Qin等[5]在傳統(tǒng)穩(wěn)定點提取的基礎(chǔ)上，利用SAR非相干信息和后向散射特性，提高了可提取穩(wěn)定點的密度，并結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)和干涉SAR時間序列的位移，分析了不同橋梁構(gòu)件的力學(xué)性能退化情況，提高了干涉SAR橋梁形變監(jiān)測的準(zhǔn)確性。Selvakumaran等[6]利用PS-InSAR技術(shù)進(jìn)行滑鐵盧大橋橋梁健康監(jiān)測時，為提高監(jiān)測精度，在橋上將角反射器和目標(biāo)棱鏡作為結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，從而增加穩(wěn)定點的密度。角反射器等設(shè)備的布設(shè)需要合理的制作及布置，在背景較暗的地區(qū)布置反射器，通常應(yīng)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(biāo)和高程。

2.3 橋梁水平形變的監(jiān)測

干涉SAR的相位主要體現(xiàn)視線向（LOS）的形變，SAR的側(cè)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(nèi)。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(zhǔn)精度遠(yuǎn)低于目標(biāo)的形變量，單個像元計算出的水平形變也難以對應(yīng)到具體的細(xì)微結(jié)構(gòu)目標(biāo)，因此多重因素導(dǎo)致了水平形變監(jiān)測的精度較低，更無法實現(xiàn)對整個水平面內(nèi)各個方向形變的監(jiān)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(jiān)測技術(shù)相聯(lián)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，如在橋梁關(guān)鍵點位布設(shè)GNSS或全站儀等設(shè)備，獲取點位三維形變。同時，充分利用干涉SAR的面監(jiān)測特性，從而實現(xiàn)點監(jiān)測與面監(jiān)測的補充與驗證，并在關(guān)鍵區(qū)域?qū)崿F(xiàn)三維形變監(jiān)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(zhǔn)和附加相位。當(dāng)監(jiān)測的大型橋梁建設(shè)在水域之上時，對干涉SAR監(jiān)測的影響尤為明顯。

對大型跨水域橋梁實施監(jiān)測時，在處理窗口濾波的數(shù)據(jù)中很難繞開水面像元的影響，使得SAR數(shù)據(jù)的相關(guān)性大大地降低。當(dāng)SAR圖像的幅寬較小時，往往過多的水面像元導(dǎo)致SAR圖像的配準(zhǔn)失敗。在此情況下，一方面通過多方法提高配準(zhǔn)控制點的選取，另一方面盡量采用幅寬更大的圖像，使配準(zhǔn)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(fù)雜，在采用時間序列InSAR技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)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(dǎo)致影像失相關(guān)，監(jiān)測點的覆蓋程度也往往不如人意。而小基線集技術(shù)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(jiān)測的精度。

3 結(jié)語

在中大型跨江橋梁整體變形監(jiān)測的InSAR技術(shù)研究中，多采用長時間序列干涉SAR技術(shù)，對跨水域大型橋梁的整體變形監(jiān)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(xù)監(jiān)測的時間跨度很長時，長時間序列干涉SAR技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)：（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(xì)的時間去相干，小基線集的應(yīng)用有可能改善這一問題；（2）當(dāng)監(jiān)測目標(biāo)為大型橋梁時，水面像元及大氣附加相位極大地降低SAR數(shù)據(jù)相干性，結(jié)合GNSS和全站儀等關(guān)鍵點監(jiān)測方法可以提高精度。綜上所述，長時間序列干涉SAR技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取和處理能力已能為橋梁的形變監(jiān)測技術(shù)可靠的技術(shù)支撐。

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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。