基于3S技术的桥梁安全监测应用研究

周敏璐

摘要：文章应用3S技术解决传统桥梁监测受天气影响大、效率低的局限，探讨引入GBInSAR技术实现时空连续的高精度桥梁变形监测，辅以BDS-RTK技术进行验证与局部修正，并通过GIS三维空间可视化技术实现桥梁变形原因剖析及变形演变趋势分析，为桥梁变形监测提供一种全天时、全天候、覆盖面状变形特征的新方式、方法。

关键词：CBInSAR;BDS-RTK;3DGIS;桥梁;变形监测

中图分类号：U447 文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.022

文章编号：1673-4874（2019）10-0073-04

0引言

“十三五”以来，我国公路桥梁的数量和里程已位居世界前列，据《2016年交通运输行业发展统计公报》显示，全国共有公路桥梁80.53万座，总长4916.97万m。随着城市规模的不断扩张，大型桥梁已经成为了城市交通枢纽中不可或缺的重要元素，而且我国高速铁路近年发展迅速，建成了大量的高铁桥梁。由此可见，公路、铁路、城市桥梁的数量与规模不断增加，带来了国民经济的持续高速发展，为公众出行和资源运输提供了极大的便利。

但是，由于桥梁结构的复杂性和对社会的重要性，一旦发生垮塌事故，不仅危及人们的生命财产安全，还会造成严重的社会影响和经济损失，因此桥梁的安全问题受到了全社会的重点关注。交通量和拥堵压力与日骤增，原有桥梁的设计荷载已经不能满足现行使用要求，桥梁的结构安全随时面临威胁，许多桥梁已逐渐进入养护维修阶段，而且新建桥梁的稳定性与安全性更需经过反复的监测与验证。因此，对桥梁进行安全监测已经成为了桥梁设计、施工、使用和运维过程中必须考虑的重要内容之一。

传统的桥梁变形监测方法是通过人工设置点位，采用全站仪、水准仪、GPS等进行常规大地测量，获取监测点位的三维坐标。传统方法在实际应用中虽得到广泛应用，也具备了一定的普適性，但同时也暴露了一些问题：（1）传统的接触式的监测手段，野外工作量大、效率较低，仪器安装、搬站费时费力;（2）仅能实现单点监测，仅能代表单点变形特征，无法描述局部点集的变形规律能否完全代表桥梁整体，无法对桥梁整体进行大范围的面状采样;（3）传统仪器的使用完全受制于天气，效率低，不能实现全天时、全天候的连续、动态监测工作。

因此，为解决传统桥梁变形监测方法的局限性，有必要在施工、建设、运营、管理全生命周期中对桥梁的变形特征和变形量进行周期性监测，并形成一套智能化、信息化的安全监测系统，是现阶段桥梁工程施建领域重点关注和研究的热点之一。本文将探讨如何应用3S技术，有效实现桥梁的高精度、高可靠性、时空连续的变形监测，形成桥梁安全监测的系统化解决方案。

13S技术应用探讨

“3S”技术是遥感（Remote Sensing，简称RS）、地理信息系统（Geographical Information System，简称GIS）和全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）的统称。3S技术及其集成是当前测绘技术、摄影测量技术、遥感技术、地图制图技术、图形图像技术、地理信息技术、计算机技术、专家系统、定位技术和数据通讯技术的结合与综合应用。拥有快速、实时的空间信息获取与分析能力，使其在全球气候变化研究、资源与环境动态监测、灾害监测与防治等国际关注的热点问题研究中越来越受到重视。下面将探讨3S技术在桥梁变形监测中的具体应用及其带来的各项技术革新。

1.1以地基InSAR为代表的遥感技术应用研究

合成孔径雷达干涉测量技术（简称InSAR）是近二十年发展起来的极具潜力的微波遥感新技术，在变形监测方面受到了广泛的重视和关注。其基本原理是：以同一地区的两张SAR图像为基本处理数据，通过求取两幅SAR图像的相位差，获取干涉图像，经过相位解算，从干涉条纹中获取地形高程或形变数据的空间对地观测新技术。

近几年来，InSAR技术已成功从星载、机载平台移植到了地面系统中，地基InSAR（又称GBInSAR）与星载InSAR的原理是相同的，但可以在数分钟内获取监测区域内的高空间分辨率SAR图像，弥补星载、机载重复观测周期长、难以实现桥梁短周期连续监测的不足，具有较高的时间、空间分辨率。此外，地基InSAR还具有可测距离远、测量精度高、无需人为设定监测点、仪器安放简单、数据采集方便等优势，能有效解决与突破传统变形监测的局限。

IBIS系统是目前国内外应用最为广泛的地基InSAR变形监测系统，是由佛罗伦萨大学和IDS公司经过六年联合研发并成功生产的第一台商用地面雷达系统。其中，IBIS-S系统主要用于大型桥梁’等线状目标物的微小形变监测，主要技术参数见表1。

国内对地基InSAR技术及IBIS-S系统应用于桥梁变形监测的研究尚处于初步探讨阶段，而每一项新技术的出现与发展，都需要解决相关领域应用的可行性、适用性、精确性等问题。本文通过综合分析国内相关研究成果，论述地基InSAR在未来逐步成为主流桥梁变形监测技术的可能性：（1）地基InSAR变形监测方法具有较高的测量精度。金旭辉等以河北某公路桥，徐进军等以长江主河道某特大型桥梁为例，开展静态加载试验进行精度验证，若以百分表测量为真值，IBIS测量精度为0.099mm;（2）地基InSAR变形监测结果与传统方法相比具有强相关性。黄声享等以武汉阳逻长江公路大桥为实例，表明两者的互相关系数达到0.8617;（3）地基InSAR变形监测方法具有现实推广价值和意义。刘春等以正常运行的某长江铁路大桥为例，分析在真实复杂环境下的桥梁变形监测精度为0.27mm，解决实际桥梁动态变形监测的工程问题。

因此，基于GBInSAR新技术的微变形远程监测方法，将成为未来桥梁变形监测的重要研究趋势和发展方向，这不仅能获取时空连续的桥梁整体变形信息，而且通过无线控制可实现无人值守的连续变形监测，为桥梁施工阶段和运营养护阶段的长期、实时动态监测提供可能和技术保障。

1.2 以BDS-RTK为代表的定位技术应用研究

2017-11-05，中国第三代导航卫星——北斗三号首批的两颗组网卫星以“一箭双星”的发射方式顺利升空，标志着中国正式开始建造“北斗”全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统（简称BDS）是我国自行研制的、继美国GPS和俄罗斯GLONASS之后世界上第三个投入实际应用的卫星导航系统，已实现对亚太地区的覆盖，可满足中国及周边地区的全天时、全天候导航及高精度定位要求。

实时动态载波相位差分技术（简称RTK），是一种实时获取测点高精度、高采样频率三维坐标的测量方法。BDS-RTK已发展成熟，在变形监测领域尤其是桥梁变形监测上的应用非常广泛，已经达到相当的精度和采样频率，并且具有受外界因素影响较小的优势。今后，推广使用BDS-RTK技术在桥梁变形监测中的应用，是推广我国拥有自主知识产权的北斗系统相关应用的有效途径。

前文探讨以GBInSAR的大范围、高精度、高时空分辨率遥感监测，根据桥梁微变远程监测雷达测量原理，仅能完成一维径向位移测量，无法把桥梁变形时产生的横向、纵向位移分离出来。如果雷达测量时某些测点处的横向、纵向位移很明显，就会影响雷达测量结果的准确性。因此，本文探讨辅以BDS-RTK的离散高精度变形监测，对GBInSAR的变形结果进行局部驗证，并对个别点位监测结果进行合理修正，有效提高GBInSAR桥梁变形监测的可靠性和准确性。

1.3 以GIS为基础支撑的桥梁安全监测系统研究

GIS具有强大的空间数据管理、分析和显示能力，能将桥梁变形的非空间属性信息进行空间可视化管理。当前组件式GIS开发方式具有高效、集成、灵活的特点，可将空间分析和可视化等典型功能快速嵌入到桥梁安全监测系统中，为系统建设提供了基础的平台支撑。

通过GBInSAR和BDS-RTK技术获取全天时、全天候、高时空分辨率的桥梁变形监测数据，我们需要通过强大的GIS平台工具，对桥梁基础静态参数数据、动态变形监测数据以及空间位置进行关联映射，实现非空间桥梁变形特征的空间可视化显示。

GIS软件在空间分析方面具有其他软件无法比拟的优势。基于GIS的空间分析功能模块，可对桥梁变形原因进行分析，从时间和空间两个维度分析变形与时间变化、周边环境影响之间存在的关系，确定桥梁变形的内因和外因。通过分析变形监测时间序列数据，找出其中的规律，建立预测预警模型，对桥梁的变形趋势和变形量大小进行合理预测，辅助监管部门的决策分析。

此外，我们还可以应用主流的3DGIS技术，对桥梁主体及其周边环境进行三维可视化大场景模拟仿真：（1）利用虚拟现实技术或是建筑信息模型（BIM），建立桥梁及其附属构筑物的三维仿真模型，对桥梁的内外部结构进行精细可视化展示;（2）利用无人机倾斜摄影为主的三维实景建模技术，对桥梁周边环境进行大范围的实景仿真。最终从宏观、微观上构建辅助桥梁变形监测研究的三维可视化交互场景，为桥梁变形监控、原因分析和时空演变规律研究提供重要的现买依据。

2 结语

本文分别探讨3S技术中前沿、可靠、高精度的应用技术，为今后桥梁安全监测形成系统化解决方案。以国内刚起步但具有重要影响力的GBInSAR技术作为桥梁变形监测的主要关键技术，获取0.01mm的高精度、时空连续的桥梁整体变形数据信息;考虑到雷达存在一维径向观测的局限，引入我国自主研发并极力推广的BDS-RTK技术，验证与局部改进GBInSAR的测量结果，有效提高桥梁变形监测数据的可靠性;结合GIS强大的空间分析管理和三维可视化功能，实现对桥梁、附属构筑物及其周边环境的大场景可视化模拟仿真，以及桥梁变形趋势分析预测，更好地辅助桥梁安全监测系统的建立。

因此，3S技术尤其是以GBInSAR为主，BDS-RTK为辅，并融合3DGIS的新兴技术，将引领桥梁安全监测领域的技术新典范。今后随着相关技术的不断发展成熟，定会引起桥梁安全监测技术方法的全面革新，为桥梁运维管理部门提供高精度、真实可靠、直观可理解的桥梁变形信息及决策服务支持。