基于PSInSAR 技術(shù)的上海長江大橋變形監(jiān)測方法研究

金 恩，吳銘飛，張 香

（上海城建城市運(yùn)營（集團(tuán)）有限公司，上海 200023）

0 前言

橋梁是一種用于跨越障礙、連通區(qū)域的交通基礎(chǔ)設(shè)施，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。 長期以來，橋梁結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測依賴人工測量，主要是利用水準(zhǔn)儀、全站儀等測量儀器觀測橋梁點(diǎn)位變形，獲取橋梁線形、撓度等指標(biāo)［1］。 這種方式工作量大，觀測頻率低，對橋梁交通通行影響較大，而且對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型橋梁難以控制精度。 隨著智能傳感器和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的進(jìn)步，目前橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測一般通過在橋梁結(jié)構(gòu)直接安裝或人工手持傳感器獲得在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，極大地提高了變形監(jiān)測的實(shí)時(shí)性。 然而，現(xiàn)有監(jiān)測傳感器為單點(diǎn)觀測方式，空間密度低，布設(shè)成本高，難以全面反映橋梁整體結(jié)構(gòu)狀況。

以GPS 和RS 為代表的空間對地觀測技術(shù)，改變了人類對地球數(shù)據(jù)的獲取和地球系統(tǒng)的認(rèn)知方式。其中，SAR 技術(shù)因其全天時(shí)、全天候、大范圍和連續(xù)覆蓋的監(jiān)測優(yōu)勢，已應(yīng)用于全球地形測繪、災(zāi)害監(jiān)測評估、地質(zhì)資源勘查等領(lǐng)域的研究中。 近年來，隨著中高分辨率SAR 衛(wèi)星的發(fā)射，SAR 干涉測量(InSAR）技術(shù)逐漸向小尺度和高精細(xì)度方向發(fā)展［2］。 與此同時(shí)，為克服傳統(tǒng)InSAR 技術(shù)易受大氣、時(shí)間等去相干因素的影響，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)得到時(shí)序InSAR(MTInSAR）技術(shù)，監(jiān)測精度達(dá)到毫米級，使得對城市地表目標(biāo)開展高精度變形監(jiān)測成為可能。 國內(nèi)外已有采用SAR 衛(wèi)星影像對建筑、橋梁、鐵路等地表設(shè)施進(jìn)行MT-InSAR 變形監(jiān)測與分析的相關(guān)研究，并在數(shù)據(jù)處理方法和形變分析方法上取得了一定成果［3-6］。 橋梁設(shè)施跨度大、距離長，結(jié)構(gòu)安全問題突出，然而目前針對大跨徑橋梁的InSAR 變形監(jiān)測實(shí)踐較少，缺乏一套完整的面向大跨徑橋梁的InSAR 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析方法。

鑒于此，本文從InSAR 技術(shù)發(fā)展歷程出發(fā)，分析各類InSAR 技術(shù)特點(diǎn)，選擇PSInSAR 技術(shù)進(jìn)行橋梁變形監(jiān)測，并以此方法對上海長江大橋進(jìn)行形變測量，驗(yàn)證該方法具備監(jiān)測大跨徑橋梁變形信息的能力。 通過對上海長江大橋形變狀況進(jìn)行分析，得到大橋形變規(guī)律，并對橋梁健康狀況進(jìn)行評估，以此為橋梁運(yùn)營管理提供技術(shù)支持。

1 MT－InSAR 變形監(jiān)測技術(shù)

InSAR 技術(shù)基于時(shí)間測距的成像機(jī)理，利用雷達(dá)回波信號(hào)攜帶的相位信息提取地表高程信息。 若在InSAR 技術(shù)干涉相位的基礎(chǔ)上進(jìn)一步獲得地面目標(biāo)幾何位置相對于SAR 傳感器發(fā)生的變化(即形變），該過程則被稱為差分干涉測量(DInSAR）。 在理想情況下，兩幅SAR 影像的干涉相位只與參考面、地形及地表形變有關(guān)。 但在實(shí)際觀測過程中，兩次觀測期間的目標(biāo)散射特性、觀測視角、大氣條件等都有可能發(fā)生變化，使得干涉相位受上述因素綜合影響，制約了DInSAR 形變監(jiān)測技術(shù)的最終精度。 真實(shí)的干涉相位組成為：

式中：φ為實(shí)際測量相位；φflat為平地相位；φtopo為地形相位；φdefo為形變相位；φorb為軌道誤差相位；φatm為大氣影響相位；φnoise為噪聲相位。

MT-InSAR 的基本原理是從同一研究區(qū)內(nèi)的多幅不同時(shí)相的SAR 影像中提取具有反射特征強(qiáng)、散射特征穩(wěn)定的地面目標(biāo)(如道路、房屋、堤壩、橋梁、裸露巖石等）作為永久散射體(Permanent Scatterer， PS）點(diǎn)，這些點(diǎn)目標(biāo)不會(huì)受到時(shí)間失相關(guān)和空間失相關(guān)的影響［7］。 基于時(shí)序差分相位信息通過建立相位函數(shù)模型，將地表形變信息、地形誤差以及大氣延遲相位從干涉相位中分離出來，進(jìn)而得到地面各點(diǎn)的形變信息φdefo。 相較于傳統(tǒng)的DInSAR 技術(shù)，MT-InSAR 技術(shù)能較好地克服時(shí)空失相關(guān)和大氣延遲的問題，提高地表形變監(jiān)測的精度。

2 基于PSInSAR 的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法

2.1 PSInSAR 技術(shù)原理

MT-InSAR 技術(shù)對多幅SAR 影像干涉處理，由一開始利用干涉圖Stacking 技術(shù)提取時(shí)序形變，發(fā)展到現(xiàn)在比較有代表性的以單一影像為主影像的永久散射體干涉(Persistent Scatterer InSAR，PSInSAR）方法和以多幅影像為主影像的小基線(Small Baseline Subsets，SBAS）方法。

MT-InSAR 技術(shù)探測SAR 影像中PS 點(diǎn)，可以估計(jì)并獲取厘米甚至毫米級測量精度的形變信息。 所謂PS 點(diǎn)是時(shí)序影像中相位穩(wěn)定的像元點(diǎn)，其對應(yīng)自然環(huán)境中的裸露巖石、人工建筑等。 PSInSAR 算法采用單一主影像方式進(jìn)行干涉處理，通過提取時(shí)序相干目標(biāo)抑制時(shí)間去相干和大氣延遲的影響。 以多幅SAR 影像為主影像的SBAS 算法主要面向影像數(shù)量有限的情況，采用小的時(shí)間基線和空間基線進(jìn)行干涉處理，降低時(shí)間失相干和地形對相位的影響。 目前研究表明，SBAS 在城市區(qū)域適用于大尺度的沉降漏斗反演，但在基礎(chǔ)設(shè)施高精度細(xì)節(jié)監(jiān)測方面存在很大局限［8］。 因此，本文采用PSInSAR 方法進(jìn)行大橋形變監(jiān)測。

2.2 變形監(jiān)測影像數(shù)據(jù)

本文采用Sentinel-1 SAR 影像作為變形監(jiān)測基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。 Sentinel-1 衛(wèi)星是歐空局最新研制的雷達(dá)衛(wèi)星系統(tǒng)，搭載C 波段的合成孔徑雷達(dá)傳感器，可以全天候、全天時(shí)地觀測海洋和陸地。 Sentinel-1 衛(wèi)星星座主要有4 種成像模式：分別是條帶模式(Strip Map，SM）、寬干涉模式(Interferometric Wide，IW）、極寬模式(Extra-Wide Swath，EW） 和波模式(Wave Mode，WM）。 在干涉測量中，通常采用IW 模式影像數(shù)據(jù)。

2.3 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理工具

本研究主要采用SNAP 與StaMPS 軟件完成哨兵數(shù)據(jù)處理，其中SNAP 主要用于哨兵數(shù)據(jù)預(yù)處理，StaMPS 軟件用于時(shí)序分析與形變提取。 SNAP 主要完成Sentinel-1A 數(shù)據(jù)的軌道校正、條帶選擇、主影像選取、配準(zhǔn)與生成干涉圖等步驟。 通過SNAP 軟件完成以上步驟后，生成的干涉圖與地理編碼等文件將導(dǎo)入StaMPS 軟件進(jìn)行時(shí)序分析。

2.4 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程

基于上述技術(shù)原理、數(shù)據(jù)源和處理工具，本文建立的基于PSInSAR 的變形監(jiān)測方法數(shù)據(jù)處理主要流程如圖1 所示。

圖1 基于PSInSAR 的變形監(jiān)測方法數(shù)據(jù)處理流程

3 上海長江大橋變形監(jiān)測實(shí)例

3.1 工程概況

上海長江大橋位于中國上海市，地處長江口北港水道中心區(qū)域，南起上海市長興島，上跨長江水道，北至崇明島與陳海公路相接后，匯入向化公路跨線橋，是崇明越江通道工程的重要組成部分。 為有效利用資源，大橋預(yù)留雙線軌道交通過橋的功能，按雙向6車道高速公路與2 線軌道交通標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。 大橋于2004年12月28 日動(dòng)工興建，于2009年10月31 日通車運(yùn)營。

上海長江大橋全長16.55 km，設(shè)計(jì)車速100 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路-I 級，橋面分兩幅設(shè)雙向6 車道，每幅外側(cè)各設(shè)4.15 m 寬的應(yīng)急車道，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為34.3 m。 其中越江橋梁工程長9.966 km，各跨橋型和跨徑布置從南到北依次為：PC 連續(xù)梁橋(6×21 m＋15×30 m＋15×50 m＋23×70 m）＋鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋(85 m＋5×105 m＋90 m）＋(92 m＋258 m＋730 m＋258 m＋92 m）雙塔雙索面分離鋼箱梁斜拉橋＋(90 m＋5×105 m＋85 m）鋼-混凝土組合連續(xù)梁橋＋PC 連續(xù)梁橋(9×70 m）＋預(yù)制節(jié)段拼裝PC 連續(xù)梁橋(32×60 m）＋PC 連續(xù)梁橋(80 m＋140 m＋140 m＋80 m）＋PC 連續(xù)梁橋(14×50 m＋17×30 m）＝9.966 km［9］。

3.2 SAR 影像數(shù)據(jù)處理

本研究所采用的數(shù)據(jù)類型是Sentinel-1A 在IW工作模式下的VV 極化、升軌、單視復(fù)數(shù)SAR 影像，單景影像覆蓋面積為110×250 km2。 影像分辨率為距離向5 m、方位向20 m，研究區(qū)域所在的條帶號(hào)為IW2。影像覆蓋時(shí)間為2018年1月17 日至2020年12月20 日，時(shí)長跨度為3年，共計(jì)86 景SAR 影像數(shù)據(jù)。

采用上文提出的基于PSInSAR 的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法對86 景Sentinel-1 影像進(jìn)行配準(zhǔn)、干涉和PS 點(diǎn)提取。 最終主橋部位共獲得1 384個(gè)PS 點(diǎn)，平均密度為139 點(diǎn)/千米。 其中，主橋的斜拉橋部分共698個(gè)點(diǎn)，密度為488 點(diǎn)/千米。 監(jiān)測點(diǎn)密度可以滿足橋梁變形監(jiān)測需求。

基于解纏后的相位，通過時(shí)空濾波技術(shù)提取出形變相位，采用線性模型擬合得到每個(gè)PS 點(diǎn)沿衛(wèi)星視線向(Line of Sight，LOS）的形變速率。

3.3 橋梁形變狀態(tài)分析

3.3.1 橋梁形變特征分析

為研究橋梁形變的具體特征，在主橋部位選擇了具有代表性的兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行沉降時(shí)間序列的分析，分別對應(yīng)1 號(hào)區(qū)域與2 號(hào)區(qū)域。 1 號(hào)區(qū)域與2 號(hào)區(qū)域PS 點(diǎn)沿衛(wèi)星LOS 向形變時(shí)間序列如圖2 所示。

圖2 橋梁局部形變時(shí)間序列

由圖2 可見，1 號(hào)區(qū)域的形變速率線性擬合值為-3 mm/a，視線向形變值主要在［-10，10］mm 范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)信號(hào)具有一定的周期性特點(diǎn)；2 號(hào)區(qū)域的視線向形變值主要在［-20，20］ mm 范圍內(nèi)波動(dòng)，波動(dòng)趨勢較為平穩(wěn)，線性擬合速率為4 mm/a，波動(dòng)信號(hào)同樣具有一定的周期性特點(diǎn)。 由此可見，橋梁的形變時(shí)間序列具有非線性的特點(diǎn)，如果僅用線性模型進(jìn)行擬合，形變趨勢估計(jì)會(huì)受到周期性影響，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。

3.3.2 形變區(qū)間分析

為了進(jìn)一步評估橋梁的結(jié)構(gòu)健康狀況，統(tǒng)計(jì)所有PS 點(diǎn)在觀測時(shí)段(3年）內(nèi)的最大與最小形變位移。將PS 點(diǎn)投影至沿橋梁走向的縱軸方向，結(jié)果如圖3所示。

由圖3 可見，全橋的形變位移分布大致以形變量0 為對稱軸對稱分布，符合橋梁形變實(shí)際情況。 位移波動(dòng)范圍表現(xiàn)為主橋非斜拉橋部分?jǐn)?shù)值較小(約±50 mm）；而斜拉橋部分?jǐn)?shù)值較大，位移波動(dòng)范圍主要表現(xiàn)為橋梁兩端數(shù)值較小，越靠近主橋中段，數(shù)值位移波動(dòng)范圍越大，最大波動(dòng)范圍為-94～112 mm。

圖3 橋梁形變區(qū)間

3.3.3 主橋線形形變分析

為綜合評價(jià)橋梁線形形變狀況，本文以季度為單位分析了大橋的線形形變量。 通過分析可知，主橋非斜拉橋部分形變量較小，各季度內(nèi)的形變基本都在0值上下波動(dòng)，說明引橋部分的形變隨氣溫變化較小；而斜拉橋部分在每個(gè)季度內(nèi)的位移波動(dòng)相對較大，且有一定的季節(jié)性特點(diǎn)，例如第四季度斜拉橋的主要形變表現(xiàn)為下沉，第二、第三季度總體表現(xiàn)為抬升，初步判斷同氣溫下降與回升有關(guān)。

綜合上述分析可知，整座橋梁形變范圍均在橋梁結(jié)構(gòu)安全限值以內(nèi)。 因此，大橋在監(jiān)測時(shí)段內(nèi)未發(fā)生明顯異常形變，橋梁結(jié)構(gòu)處于健康狀態(tài)。

4 結(jié)語

本文以PSInSAR 技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了以Sentinel-1 SAR 影像為監(jiān)測數(shù)據(jù)，SNAP 為SAR 影像數(shù)據(jù)預(yù)處理工具、StaMPS 為橋梁形變信息提取工具的橋梁變形監(jiān)測方法流程。 本文應(yīng)用提出的監(jiān)測方法，利用86 景Sentinel-1 影像，獲取了上海長江大橋2018—

2020年的形變信息，并從橋梁形變特征、形變區(qū)間、線形形變3 方面對上海長江大橋形變狀況進(jìn)行系統(tǒng)分析。 監(jiān)測結(jié)果表明，上海長江大橋在監(jiān)測時(shí)段內(nèi)結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。 本文研究為橋梁設(shè)施監(jiān)測工作提供了應(yīng)用實(shí)踐，提出的監(jiān)測方法發(fā)揮了InSAR 高精度動(dòng)態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，在大跨徑橋梁變形監(jiān)測方面具備可行性，可以為橋梁運(yùn)營管理提供可靠的技術(shù)支持，具有較好的應(yīng)用前景。