基于PS-InSAR技術(shù)的連鹽高鐵灌河特大橋形變監(jiān)測(cè)與分析

吳星樂，羅海濱

(南京信息工程大學(xué)遙感與測(cè)繪工程學(xué)院,南京 210044)

引言

近幾十年來,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中重要基礎(chǔ)的橋梁建設(shè)也得到了迅猛發(fā)展。橋梁是運(yùn)輸線路中的重要組成部分,是鐵路網(wǎng)絡(luò)和公路網(wǎng)絡(luò)的要塞,是保障道路安全通車的關(guān)鍵樞紐,在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步方面發(fā)揮著至關(guān)重要的推動(dòng)作用。在橋梁運(yùn)營(yíng)過程中,由于老化和腐蝕,可能造成橋梁結(jié)構(gòu)損壞,甚至坍塌,給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命安全造成嚴(yán)重的損失[1-3]。開展橋梁安全監(jiān)測(cè),可以預(yù)防并控制橋梁中的各種安全隱患,減少橋梁安全事故的發(fā)生,并為日后橋梁的風(fēng)險(xiǎn)管理和災(zāi)害預(yù)警提供參考依據(jù),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

早期的橋梁監(jiān)測(cè)方法一般是以人工定期檢測(cè)為主。人工定期檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、檢測(cè)過程中需封橋封路、難以及時(shí)掌握橋梁整體結(jié)構(gòu)形變[4]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,橋梁監(jiān)測(cè)領(lǐng)域也涌現(xiàn)了新的形變監(jiān)測(cè)技術(shù),如傳感器技術(shù)[5-6]、GNSS技術(shù)[7-9]、近景攝影測(cè)量技術(shù)和航空攝影測(cè)量技術(shù)[10-11]。傳感器技術(shù)能提供橋梁關(guān)鍵部位高時(shí)間分辨率應(yīng)力和應(yīng)變等信息,但技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。GNSS技術(shù)能提供橋梁表面高時(shí)間分辨率三維形變信息,但是點(diǎn)觀測(cè)不能反映形變整體情況。近景攝影測(cè)量技術(shù)和航空攝影測(cè)量技術(shù)可以從地面或空中對(duì)橋梁的某一個(gè)面進(jìn)行全面觀測(cè),但易受天氣影響。上述技術(shù)的共同缺點(diǎn)是在同一時(shí)間僅能對(duì)1個(gè)或少數(shù)幾個(gè)橋梁進(jìn)行監(jiān)測(cè),受成本等因素的限制,不能應(yīng)用到所有在役橋梁。

永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Permanent Scatter Synthetic Aperture Radar Interferometry,PS-InSAR)技術(shù)通過對(duì)同一地區(qū)不同時(shí)間的多景合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)遙感影像進(jìn)行干涉處理,獲取地面形變信息[12-13]。因SAR影像覆蓋范圍大(幾十到幾百千米)、獲取成本低,所以,與已有橋梁形變監(jiān)測(cè)技術(shù)相比,PS-InSAR技術(shù)具有監(jiān)測(cè)橋梁多、監(jiān)測(cè)成本低的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),特別適用于分析無形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的、中小橋梁的健康狀況[14-15]。2015年,Issaak Parcharidis采用PS-InSAR技術(shù),利用覆蓋時(shí)間為2002—2010年的Envisat ASAR降軌數(shù)據(jù)和2010—2012年的TerraSAR-X升軌數(shù)據(jù)對(duì)Rio-Antirio大橋進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在監(jiān)測(cè)期間橋梁結(jié)構(gòu)保持相對(duì)穩(wěn)定[16]。2016年,趙一恒等[17]利用11景TerraSAR-X數(shù)據(jù),通過PS-InSAR技術(shù)獲得了天津南疆公路大橋高分辨率的形變速率圖,并對(duì)PS點(diǎn)形變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,獲得了橋梁的安全等級(jí);LAZECKY等[18]利用時(shí)間間隔為2014年6月至2015年6月的33景和2013年10月至2015年5月的17景TerraSAR-X數(shù)據(jù),通過多時(shí)相InSAR技術(shù)獲得了捷克境內(nèi)Radot＇n大橋和Svinov大橋的形變結(jié)果,再次證實(shí)了InSAR技術(shù)對(duì)橋梁變形監(jiān)測(cè)的可行性。2017年,趙婧文等[19]利用COSMO-SkyMed數(shù)據(jù),通過PS-InSAR技術(shù)提取了上海盧浦大橋上PS點(diǎn)的線性形變速率和季節(jié)性形變信息,表明該橋總體上是穩(wěn)定的;黃其歡等[20]采用了PS-InSAR技術(shù)對(duì)21景時(shí)間跨度為1年的Sentinel-1A數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,建立了適合于大跨度橋梁縱向形變監(jiān)測(cè)的InSAR時(shí)序分析方法,獲取了京滬高鐵南京大勝關(guān)大橋縱向形變。2018年,朱茂等[21]以30景COSMO-SkyMed數(shù)據(jù)為輸入,利用PS-InSAR技術(shù)獲取了青島膠州灣跨海大橋2014年1月到2016年3月的形變數(shù)據(jù),揭示了該橋梁主要形變?yōu)榕c季節(jié)相關(guān)的周期形變,形變監(jiān)測(cè)精度可達(dá)到毫米量級(jí)。2019年,趙晨等[22]利用某公路大橋5年間32景TerraSAR-X數(shù)據(jù),通過PS-InSAR技術(shù)獲得了該橋梁的形變信息,并將形變數(shù)據(jù)擬合后與水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,二者結(jié)果取得很好的一致性。

雖然應(yīng)用PS-InSAR技術(shù)對(duì)橋梁進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)在國(guó)內(nèi)外取得了一些成果,但應(yīng)用的SAR數(shù)據(jù)大多是X波段的高分辨率數(shù)據(jù),利用C波段中分辨率數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)橋梁形變的實(shí)驗(yàn)不多,監(jiān)測(cè)橋梁的類型也各不相同。以連鹽高鐵灌河特大橋?yàn)閷?shí)驗(yàn)對(duì)象,利用PS-InSAR技術(shù),對(duì)2018年1月至2020年12月共89景C波段Sentinel-1A數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,分析應(yīng)用C波段SAR數(shù)據(jù)、采用PS-InSAR技術(shù)對(duì)大跨度剛桁梁柔性拱橋進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)的可行性。

1 PS-InSAR技術(shù)原理和流程

1.1 技術(shù)原理

PS-InSAR技術(shù)是通過對(duì)研究區(qū)某一時(shí)間段內(nèi)的數(shù)景SAR影像做配準(zhǔn)、干涉等處理,識(shí)別提取具有較強(qiáng)相干性和穩(wěn)定散射特性的PS點(diǎn)。只對(duì)PS點(diǎn)的干涉相位進(jìn)行分析,從而克服常規(guī)InSAR技術(shù)影像失相干的技術(shù)局限,再利用時(shí)空濾波技術(shù),剔除大氣延遲等誤差,得到準(zhǔn)確的地表形變信息[23]。

假設(shè)可以獲得覆蓋研究區(qū)域的某一時(shí)間段k+1景SAR影像,根據(jù)影像的時(shí)間基線、空間基線、多普勒質(zhì)心頻率優(yōu)化選取其中一景影像作為唯一公共主影像,其余影像均為副影像。將k景副影像配準(zhǔn)并采樣到主影像空間,得到k個(gè)干涉對(duì)。利用已知DEM數(shù)據(jù),對(duì)k個(gè)干涉對(duì)進(jìn)行差分干涉處理,獲得各個(gè)PS點(diǎn)的差分干涉相位。每個(gè)PS點(diǎn)的差分干涉相位φdint組成如下

φdint=φdem+φdef+φatm+φnoise=

(1)

式中,φdem為DEM高程誤差干涉相位;φdef為沿雷達(dá)視線(line of sight,LOS)方向地表形變干涉相位;φatm為大氣影響干涉相位;φnoise為噪聲干涉相位;λ為雷達(dá)波長(zhǎng);R為雷達(dá)到地面目標(biāo)的斜距;θ為雷達(dá)入射角;B⊥為干涉對(duì)垂直基線;δH為DEM高程誤差;t為干涉對(duì)時(shí)間基線;v為沿LOS方向的線性形變速率;φres為PS點(diǎn)的殘余相位,它是大氣、非線性形變和噪聲干涉相位之和。式(1)是PS-InSAR方法的相位模型。由于存在相位模糊度,不能利用最小二乘擬合方法求解式(1),需利用二維頻譜分析計(jì)算δH和v的最佳估值,即得到了PS點(diǎn)的DEM高程誤差和LOS方向上的線性形變速率。通常,非線性形變呈現(xiàn)時(shí)空低頻特性;大氣影響呈現(xiàn)空間低頻、時(shí)間高頻特性;噪音呈現(xiàn)時(shí)空高頻特性。因此,采用時(shí)空濾波技術(shù)對(duì)殘余相位φres進(jìn)行處理,可以求得非線性形變。由v得到的線性形變加上非線性形變即可得到總形變。

1.2 技術(shù)流程

PS-InSAR技術(shù)主要是針對(duì)離散的、相干性較強(qiáng)的、穩(wěn)定散射特性的PS點(diǎn)進(jìn)行處理,從而獲得這些PS點(diǎn)的形變信息。PS-InSAR技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 PS-InSAR技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程

(1)公共主影像選取:根據(jù)研究區(qū)域獲取的k+1景SAR影像的時(shí)間基線、空間垂直基線和多普勒質(zhì)心頻率計(jì)算備選主影像平均相干系數(shù)。以平均相干系數(shù)最大為指標(biāo),選取某一景影像作為唯一公共主影像,其他k景影像構(gòu)成副影像集。

(2)差分干涉處理:將k景副影像逐個(gè)配準(zhǔn)并采樣到主影像空間,得到k個(gè)干涉對(duì)和k景配準(zhǔn)后的SAR影像。借助外部DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉處理,獲得研究區(qū)域差分干涉圖。

(3)PS點(diǎn)提取:根據(jù)影像幅度信息計(jì)算振幅離差指數(shù),根據(jù)干涉相位計(jì)算時(shí)序相干系數(shù),給定閾值,提取PS點(diǎn)。

(4)線性形變速率估計(jì):對(duì)每一個(gè)PS點(diǎn),建立如式(1)所示方程,利用二維頻譜分析的方法求解各PS點(diǎn)的DEM高程誤差和LOS方向上的線性形變速率。

(5)時(shí)空濾波:初始差分干涉相位減去線性形變和DEM誤差相位后,得到包括非線性形變相位、大氣相位和噪音的殘余相位。通過時(shí)、空域?yàn)V波將三者分離,得到非線性形變,并最終得到每個(gè)PS點(diǎn)時(shí)序累積形變。

(6)地理編碼:將上一步獲得的形變結(jié)果從雷達(dá)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系下,并將結(jié)果以矢量或者柵格的格式輸出。

2 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)

連鹽高鐵灌河特大橋位于江蘇省連云港市與鹽城市的交界處,跨越灌河,是連鹽高速鐵路上的控制性工程和蘇北地區(qū)的標(biāo)志性工程,同時(shí)也是連鹽高速鐵路跨度最大的特大橋。灌河特大橋于2014年4月開工建設(shè),2017年9月通車運(yùn)行,是目前國(guó)內(nèi)第二大跨度剛桁梁柔性拱橋,主橋長(zhǎng)達(dá)470 m,灌河特大橋影像如圖2所示。

圖2 灌河特大橋影像

2.2 SAR數(shù)據(jù)

為對(duì)灌河特大橋進(jìn)行形變監(jiān)測(cè),得到大橋的整體形變信息,獲取了2018年1月至2020年12月期間、覆蓋灌河特大橋的89景干涉寬幅模式Sentinel-1A升軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)入射角為41 °,極化方式為vv極化,整幅影像覆蓋范圍約為(110×250) km2,距離向分辨率為2.3 m,方位向分辨率為14 m。

2.3 BDS數(shù)據(jù)

用于驗(yàn)證PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)精度的BDS數(shù)據(jù)來自連鹽高鐵線北斗基礎(chǔ)測(cè)量基準(zhǔn)站,兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)分別位于灌河特大橋左右兩側(cè),間隔500 m,點(diǎn)位具體位置如圖2(a)所示。

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

根據(jù)影像的時(shí)間基線、空間基線、多普勒質(zhì)心頻率差選取2019年6月22日獲取的影像作為主影像,其他影像為副影像,配準(zhǔn)并重采樣到主影像空間。最小時(shí)間基線12 d,最大時(shí)間基線552 d,最小絕對(duì)垂直基線4.1 m,最大絕對(duì)垂直基線130.7 m,部分干涉圖時(shí)空基線如表1所示。圖3(a)為大橋的SAR強(qiáng)度均值圖,圖3(b)為2020年11月7日和2019年6月22日影像的差分干涉圖。從圖3中可以看出,橋梁本身有著很強(qiáng)的雷達(dá)反射信號(hào),且干涉條紋連續(xù)、清晰。

表1 部分干涉對(duì)時(shí)空基線分布

圖3 SAR強(qiáng)度均值圖和差分干涉圖

采用30 m分辨率SrtmV1 DEM去除地形相位,采用歐空局(ESA)精確軌道數(shù)據(jù)提高影像配準(zhǔn)、地形相位和平地相位去除精度,利用譜偏移濾波消除視角變化影響,利用振幅離差指數(shù)和時(shí)序相干系數(shù)選取PS點(diǎn),共計(jì)獲得325個(gè),其中大橋上有80個(gè),PS選點(diǎn)結(jié)果及橋梁PS點(diǎn)位分布如圖4所示。

圖4 PS選點(diǎn)結(jié)果(左)及橋梁PS點(diǎn)位分布(右)

基于線性形變速率模型,采用二維頻譜分析估計(jì)線性形變速率和高程誤差,最終獲得2018年1月至2020年12月灌河特大橋平均形變速率,結(jié)果如圖5所示。圖中地面點(diǎn)遠(yuǎn)離SAR傳感器時(shí)符號(hào)為負(fù),反之為正。

圖5 灌河特大橋年平均形變速率

由圖5可以看出,灌河特大橋的整體形變速率區(qū)間是1.7～5.3 mm/a,平均值為3.7 mm/a。從數(shù)據(jù)上看,灌河特大橋年平均形變速率較小,不存在明顯形變。為更加詳細(xì)地分析大橋變形情況,圖6顯示了所有點(diǎn)形變時(shí)間序列。由圖6可以看出,同一時(shí)間,橋上絕大部分點(diǎn)形變值都在2倍中誤差以內(nèi),形變曲線均值在0值上下波動(dòng),沒有明顯的形變趨勢(shì),再次印證了橋體的穩(wěn)定性。

圖6 各PS點(diǎn)形變時(shí)間序列

為利用BDS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證PS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度,將BDS測(cè)得的東西向、南北向和垂直向形變利用式(2)投影到LOS方向。

(2)

式中,dlos為L(zhǎng)OS向地表形變;θ為雷達(dá)入射角;αh為衛(wèi)星飛行方位角;dN為南北向形變;dE為東西向形變;dU為垂直向形變。如圖7所示,將2018年11月6日設(shè)為時(shí)間參考基準(zhǔn)點(diǎn),計(jì)算BDS與PS-InSAR相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)在LOS方向上的位移變化量。表2給出了利用BDS1和BDS2兩點(diǎn)算得的絕對(duì)誤差和均方根誤差。

表2 PS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果精度統(tǒng)計(jì)

圖7 BDS監(jiān)測(cè)點(diǎn)LOS向形變與PS點(diǎn)LOS向平均形變對(duì)比

由圖7和表2可以看出,PS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果與同期BDS監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致,最大絕對(duì)誤差都在1 cm以內(nèi)。BDS1點(diǎn)算得均方根誤差3.67 mm,BDS2點(diǎn)算得均方根誤差5.67 mm,由于BDS1點(diǎn)較BDS2點(diǎn)距離PS點(diǎn)集更近,因此,BDS1點(diǎn)較BDS2點(diǎn)顯示出了與PS-InSAR更好的一致性。PS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線波動(dòng)小于BDS監(jiān)測(cè)結(jié)果,這主要是由于受影像空間分辨率和成像幾何影響,PS監(jiān)測(cè)點(diǎn)很難與北斗觀測(cè)站相對(duì)應(yīng)。為了比較,將同一時(shí)刻不同位置PS點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果取平均求得平均形變曲線。平均形變曲線會(huì)部分抵消溫度和風(fēng)荷載的影響,因此,PS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果較為光滑。而北斗觀測(cè)結(jié)果可能包含溫度和風(fēng)荷載的影響,因此形變曲線波動(dòng)相對(duì)較大。

4 結(jié)語(yǔ)

將C波段中分辨率Sentinel-1A數(shù)據(jù)應(yīng)用于連鹽高鐵灌河特大橋形變監(jiān)測(cè),使用PS-InSAR技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并將PS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果與同期北斗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,主要結(jié)論如下。

(1)灌河特大橋在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)形變速率在1.7～5.3 mm/a之間,時(shí)間序列形變平均值趨近0,形變較小,無明顯趨勢(shì)性變形,橋梁整體保持穩(wěn)定。

(2)PS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果與BDS觀測(cè)數(shù)據(jù)比較,均方根誤差在6 mm之內(nèi),二者取得了很好的一致性,驗(yàn)證了PS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。

該研究結(jié)果證實(shí)了C波段中分辨率Sentinel-1A數(shù)據(jù)適用于大跨度剛桁梁柔性拱橋形變監(jiān)測(cè),可為橋梁的風(fēng)險(xiǎn)管理和災(zāi)害預(yù)警提供參考依據(jù)。但利用PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)大橋形變也存在如下問題。

(1)受衛(wèi)星重訪周期限制,影像時(shí)間分辨率較低,不能滿足橋梁荷載試驗(yàn)和高動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的要求。

(2)在僅有一種成像幾何SAR數(shù)據(jù)時(shí),只能給出沿SAR視線向一維形變,不能全面反映橋梁動(dòng)態(tài)情況。

(3)受成像幾何影響,監(jiān)測(cè)點(diǎn)很難與橋梁具體部位對(duì)應(yīng),不利于形變分析。

隨著高空間分辨率、高時(shí)間分辨率和不同成像幾何的SAR衛(wèi)星及星座的不斷發(fā)射,問題1、2將得到逐步改善。進(jìn)一步研究SAR模擬成像技術(shù),利用衛(wèi)星軌道和橋梁結(jié)構(gòu)信息模擬SAR灰度圖,將有助于監(jiān)測(cè)點(diǎn)與橋梁具體部位對(duì)應(yīng)?？梢灶A(yù)見,利用PS-InSAR技術(shù),以較低的成本對(duì)大范圍橋梁進(jìn)行同步監(jiān)測(cè),在未來將大有可為。