遥感干涉测量和北斗高精度定位技术在桥梁监测中的信息化应用研究

（中国交通通信信息中心，北京，100011）

遥感干涉测量和北斗高精度定位技术在桥梁监测中的信息化应用研究

夏 威

（中国交通通信信息中心，北京，100011）

作为保障国民经济的重要基础设施，桥梁的安全问题受到广泛关注，在桥梁的施工建设和养护阶段进行监测也就显得尤为重要。但是，我国桥梁待检数量庞大，检测实施方式以人工抽检为主，作业效率低、监测不全面。本文对当前桥梁监测存在的问题进行了分析，为规范养护工作行为、提高运营效益，提出了综合利用雷达遥感和北斗高精度测量技术的方法，通过从宏观和微观层面进行形变分析，提高监测工作的自动化程度，降低桥梁建设和养护成本。

桥梁几何形态；交通运输应用；北斗高精度测量；雷达干涉测量

0 引言

“十二五”规划以来，我国桥梁建设快速发展，公路桥梁数量和里程已位居世界前列。根据交通运输部2014年的统计数据，全国共有公路桥梁75.71万座、总长4257.89万米，比上年末增加2.18万座、280.09万米。其中，特大桥梁3404座、总长610.54万米，大型桥梁72979座、总长1863.01万米。桥梁在国民经济的发展中起到了重要作用，但是，随着服役年限的增加，桥梁的结构强度、刚度、构件耐久性和稳定性逐年下降，承载能力已不适应日益增加的交通需求。有些桥梁由于长期缺乏养护管理，承载能力恶化，已处于危桥状态，随时都有可能酝酿出桥塌车毁的悲剧。当桥梁受车辆超载、地基沉降等外力因素影响而损伤时，往往伴随着几何状态的变化，如扭曲变形现象，因此，监测桥梁形变，对于分析桥梁状态、及时发现隐患，具有重要意义。

城市桥梁的养护工作通常由业主方委托的养护公司或其他资质单位进行，采用“计划模式”，先划定一些桥梁作为检测点，列入年度预算后再进行养护。在一些偏远区域，小型桥梁在建成验收后可能长期未入计划，不利于及时发现隐患。由于我国各类桥梁待检数量庞大，使用人工现场勘查，涉及范围有限、时效性差，针对这一问题，遥感InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达干涉测量)和北斗高精度定位技术可以提供切实可行的解决办法。InSAR技术通过雷达（Synthetic Aperture Radar, SAR）卫星拍摄遥感影像，将目标区域的多幅影像单元的相位信息进行干涉处理，从中提取目标的高程形变，精度可达毫米级。雷达卫星观测面积广泛，可为数百平方公里的区域制作形变专题图，方便技术人员直观地筛选出重点监测对象。遥感数据量大，处理时间长，如果需要进行实时监测，可以配合使用北斗RTK (Real time kinematic,实时动态控制系统)，高精度、动态地测量平面坐标与高程的变化。

1 危桥成因分析

危桥成因多种多样，例如：周边环境变化，地下水的过度抽取会导致土层含水量下降，形成地下空洞，进而可造成墩台沉降桥跨倾斜；超负荷使用，缺乏养护；一些司机安全意识不足，超载行驶，造成桥梁构件疲劳，出现梁体变形；船舶、车辆撞击，或者滑坡、洪涝等自然灾害，也可以直接破坏桥梁，动摇桥基。

2 Insar遥感与北斗技术应用分析

2.1 InSAR遥感技术

使用人工手段检测桥梁耗费时间较长，以全站仪高程测量为例，该方法在多个监测点安装标记（棱镜），对监测点进行测量，然后与基准点的值进行换算得到监测点的高程。通常需2-3人进行放样，且要求天气通视情况良好。根据某道路养护单位的统计，不考虑天气因素，平均每座桥的检测工时约3天。该市的道路桥梁多达数千座，如果要排查危桥，成本极高。遥感技术则能有效提升效率工作效率。一景SAR图像覆盖面积可达1000平方公里，接近一个中等城市或大城市的城区，无需人工现场测量。

2.2 北斗技术

遥感适合于大范围地普查、定位风险桥梁。在确定了需重点关注的桥梁后，如果仍利用遥感进行监测，由于SAR卫星的拍摄频率最快数天一次，所以在时效性上存在局限。此外，InSAR测量的是目标的沉降，也即垂直位移的情况，难以测水平位移。北斗RTK定位技术，能够动态测定水平和垂直位置信息，弥补遥感的不足。2012年5月，广州珠江黄埔大桥即首次使用北斗检测桥梁位移。与GPS相比，北斗是我国自主研发的定位系统，处于国家安全考虑，在重要基础设施的监测和运营上须尽量国产化。而且，北斗具有短报文通信功能，在回传测量结果时无需像其他传感器那样专门铺设通信传输网，可以在偏远地区使用。

3 关键技术原理

3.1 遥感InSAR

InSAR技术的具体实现方法有多种，在工程级测量中，一般采用永久散射体(permanent scatterers, PS)方法，其思想是：采集了N+1幅SAR图像，选取其中一幅为主影像，然后将其与剩余N幅影像做比较，计算相位差，结合雷达卫星的位置、天线参数，得到卫星视线向的前后两次地表高层差，即形变结果。

3.2 北斗RTK

RTK技术的基本思想是：在已知的坐标位置建立基准站，播发观测数据（包括伪距、相位）和基准坐标给流动站接收机，流动站接收卫星信号，然后进行处理，计算出流动站的坐标信息，定位速度几秒到几分钟。流动站，可以采用静态或者动态形式，对于桥梁监测，一般固定到特定位置。

4 实现流程与数据分析

4.1 工作流程

（1）遥感数据采集。

周期性地采集SAR影像，如果形变速度非常快，需要设置足够高的采集频率，否则在数据分析时会出现图像失相干现象。如果研究区域自然PS点少，可人为架设角反射器作为监测点。角反射器起到骨干控制网的作用，对提高相位干涉计算精度具有重要作用。

（2）遥感内业数据处理

获取SAR数据集后，从中提取能够与其它图像的空间基线最小的图像作为主图像，然后将数据集的图像与主图像进行配准和重采样。在实际处理中，一般将数据切割成多块小区域，以提高计算速度。

从图像中选择PS点。阈值法是最为简单的一种方法，通过统计分析每个像元的强度值和相干性，设定一个阈值筛选出PS候选点。在消除大气影响和其他误差后，应再次进行PS点选取，对上一轮的筛选结果作适当增减。

干涉处理。所有图像生成干涉图序列。为了提高精度，应给数据集去大气效应。在干涉测量中，大气影响会为雷达信号附加相位，可以通过历史天气信息，估计PS点上的大气相位并去除。

（3）筛查，选取重点区域

根据形变测量结果，制作形变趋势图，从中找到形变速率较快的区域。图 2给出了某市的InSAR形变分析结果，红色代表沉降严重区域，绿色表示相对稳定区域。可见，其东部区域的沉降较严重，而且呈现向中部蔓延的趋势，西北部地区较稳定。应重点关注处红色地区的桥梁，对其设立观测点，进行动态外业监测。

图2 城区形变趋势图

（4）北斗RTK外业测量。

在桥梁上架设北斗高精度测量终端等设备，得到外业监测数据。如果监测点本身的不稳定，则布设固定点测量。

（5）数据挖掘与分析。

建立结构损伤模型，将遥感和北斗两类监测结果进行对比分析，统计变化趋势，同时分析桥梁周边的地表地形环境的情况作为参考，当形变程度超过安全值时进行报警，为建设、运营、养护、管理提供决策依据。

5 总结与展望

本文提出了结合遥感和北斗技术的桥梁形变监测，介绍了相关技术的实现原理和流程。遥感和北斗技术是宏观和微观层面的结合，能够为桥梁的建设、养护和管理建立起多角度全方位的数据支撑，对桥梁设施的安全运营具有重要意义。相关手段还可以继续扩展其功能，结合其他观测设备，推广到边坡、水工建筑等其他交通基础设施的监测中，将具有广阔的应用前景。

[1] 交通运输部. 2014年交通运输行业发展统计公报.

[2] 陈蓓蓓.北京地区地面沉降监测及风险评价研究[D].首都师范大学，2009.

[3] 郭信平，曹洪杰。卫星导航系统应用大全[M].

[4] 刘经南。卫星导航定位与北斗系统应用[M]。中国测绘，2014.

[5] 黄埔大桥位移监测系统http://www.compstar.cn/news/ bencandy.php?fid=2&id=1130

[6] 交通运输部.公路桥涵设计通用规范（JTG d60-2004）,2011.

The Application Research of Interferometric Synthetic Aperture Radar and Beidou High Accuracy Measurement for Bridge Monitoring

Xia Wei
( China Transport Telecommunications & Information Center, Beijing，100011, China)

As a guarantee of national economy important infrastructure,security issues of bridge by widespread attention and monitoring in bridge construction and maintenance is particularly important. However, the number of bridges in China is huge,the detection method is based on manual sampling,the operation efficiency is low,and the monitoring is not comprehensive.The problems existing in current monitoring of bridge are analyzed,in order to regulate the behavior of the maintenance work,improve the operation efficiency,this paper puts forward the comprehensive utilization method of radar remote sensing and Beidou high precision measurement technology,through deformation are analyzed from the macro and micro levels to improve the degree of automation of monitoring work,reduce the cost of bridge construction and maintenance.

bridge geometry;transportation application;Beidou high precision measurement radar interferometry.