基于时序InSAR技术监测大桥历史形变

陈艳青，赵景堂

(1.西宁市测绘院，青海 西宁 810001;2.南通拓尔普测绘信息有限公司,江苏 南通 226300)

桥梁是大众交通的重要组成部分，是公路路网和铁路路网中的重要环节，是保证道路全线通车的咽喉。桥梁作为重要的交通设施，对于保证和促进社会经济发展起着基础性的作用。

桥梁一旦损坏或坍塌，造成的经济损失是无法估计的，甚至会付出生命的代价[1]。对桥梁基础设施的安全监测成为了当下一个越来越重要的工作。通过监测可以对桥梁设施的承载安全性和劳损程度做出科学的评价，从而对桥梁设施实施维护和保养工作，避免灾害性的倒塌和破损现象发生。

过往对于桥梁基础设施的监测技术手段主要以传统监测技术为主[2]。但是，传统监测方法也会受限于复杂的天气环境和空间环境，耗费过多的人力物力资源。这就大大影响了监测工作的实时性和客观可靠性[3]。近年来，随着合成孔径雷达干涉测量(Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)形变监测技术的成熟和高分辨雷达卫星SAR数据商业化的推进，该技术已经越来越广泛运用于对地表监测研究。雷达遥感卫星可以对地进行全天时、全天候的观测成像，InSAR技术则可以对桥梁观测数据进行面上处理获取形变信息成果。这很好地弥补了传统监测技术的缺陷。其中，基于InSAR技术衍生发展起来的时序小基线集技术(Small baseline subset, SBAS)以高精度(mm级别)著称[4-5]。

本文将河源东江大桥作为实验研究目标对象，基于雷达卫星数据源获取9景影像，依次通过合成孔径雷达差分干涉测量技术(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,DInSAR)和SBAS技术处理影像数据获取监测时间内桥梁的形变信息。通过联合对比两种InSAR技术所获取成果分析桥梁在监测时间内的历史形变规律特征，同时基于桥梁的历史资料和一般性发展规律合理科学推断和证明灾害性垮塌成因机理。

1 研究区域概况

1.1 研究区域背景及研究意义

东江大桥位于河源市区城郊，由广东省公路勘察设计院设计，广东省公路工程处施工，于1972年建成通车，至今已47年。大桥跨越东江，西北至东南走向，为6孔50 m跨径悬砌拱桥，净宽7+2X10(m)，全长420.06 m，主拱矢度1/6，是建国以来河源第二座跨江大桥。当地人称之为紫金桥或河紫桥。2007年，经检测，东江大桥中间一处桥拱圈被发现出现了几处小裂缝，西侧桥台出现轻微错位现象。为了确保行人和行车安全，相关部门自2008年起对该桥实施限行措施，对保护该桥和车辆、行人的安全起到了一定作用。但由于中型以上的车辆禁止通行，给周围群众出行带来了不便。根据公开资料，东江大桥此次垮塌的第3、4孔位于桥中间，每孔长度为60 m。2007年该桥被查出拱圈裂缝和桥台错位，2008年开始限行，2015年及2017年分别有过维修记录。2019-06-14，河源市市区公路局发布通报，14日凌晨02:12，河源市源城区东江大桥第3跨第2桥墩以及第4跨第3桥墩出现垮塌(见图1)。据初步调查，有2辆小型车辆掉落水中，除救起1人外，其他伤亡不明。

图1 东江大桥事故现场

本研究实例DInSAR技术，采集河源市(含东江大桥)有效的卫星雷达数据，通过常规差分干涉测量技术分析该桥梁在临近垮塌前后桥梁的形变。通过时间序列分析初步分析出该桥梁发生形变突变的空间位置，及早发现灾害隐患点，并分析出其形变规律及其危险程度。

1.2 研究区域基本简介

河源东江大桥为6孔50 m跨径悬砌拱桥，净宽9 m，全长420.06 m(见图2)。主拱矢度1/6，空心混凝土预制块拱圈采用横向悬砌法施工。横向悬砌新工艺是将拱圈横向分成若干条拱肋，每条肋纵向又分为若干砌块。中间一条拱肋(基肋)可在简易支架上拼装，也可用缆索无支架吊装。基肋合拢后，以基肋为支承，向两侧逐肋横向悬臂拼砌，分肋合拢。横向悬砌拱的砌块有斜版式和箱式，其重心垂线都落在前一条拱肋边缘线以内，保证其施工中的稳定性，于1972年建成通车。

图2 河源市原东江大桥图

2 实验数据和方法

2.1 数据

对于星载SAR传感器来说，波长的选择决定了InSAR反演结果的形变监测精度[9-10]。InSAR进行形变监测的原理决定了波长稍长的传感器在保证干涉图相位的相干性上具有较大的优势，目前在轨的SAR卫星传感器有波长稍短的C波段传感器sentinel-1、RADARSSAT-2；工作于波长稍长对的L波段传感器ALOS2-PALSAR传感器；工作于波长更短的X波段的COSMO-SkyMed星座、TerraSAR/TanDEM双星星座。其中Sentinel-1星座由更为先进的传感器设计，具有更为广阔的成像区域，同时保有相当高的地面分辨率(5 m×20 m)。这样的特点使得SAR影像能覆盖更大的范围，在进行基于InSAR技术的地面形变反演能够覆盖更大的范围，更多存在于大空间尺度上的地表形变现象就能够被监测出来。本次实验将采用干涉宽幅模式的SAR影像进行InSAR反演。SAR数据均为双极化模式的IW(干涉宽幅)模式下获取，雷达影像图像水平方向上的分辨率为距离向可达5 m，方位向可达20 m。详细影像数据信息见表1。

表1 SAR数据集

2.2 方法

在使用InSAR技术对河源市东江大桥进行形变监测的过程中，使用两种InSAR数据处理方法，分别是DInSAR方法和SBAS方法。由于SBAS方法在数据处理模型上对于相干目标点的筛选更为严格，因此在使用SBAS方法进行形变反演的时候，在反演结果中将会获取较少的相干目标。同时，本研究采用两轨法DInSAR方法对原始数据集中的雷达影像进行数据处理。使用DInSAR进行数据处理的过程中，由于相干目标只在一个干涉对中搜索，而不是整个雷达影像数据集，因此使用DInSAR技术进行反演的结果中将会获取到更多的相干目标用于分析。

首先是采用DInSAR技术，使用采集日期较早的影像作为主影像，采集日期邻近的影像作为从影像，使用两轨法DInSAR技术进行数据处理。本项目使用的DInSAR两轨法的干涉对为M20181227_S20190120, M20190120_S20190201, M20190201_20190213, M20190213_S20190309, M20190309_S20190414, M20190414_S20190508, M20190508_S20190520, M20190520_S20190613，其中变化的量级为毫米级。二轨法需要两两SLC数据和DEM(对干涉相位解缠，而不是对差分相位解缠)，这样可以改进模拟的地形相位，其中DEM数据模型为ALOS3D，流程主要包括：影像配准、干涉图生成、模拟地形相位、差分干涉、噪声滤除、干涉图相位解缠、生成形变图。

同时也对SLC影像数据集采用了SBAS方法进行数据处理。在SBAS数据处理方法中，由于能够使用多个干涉对之间进行差分，并且在整个干涉数据集中使用滤波器进行大气相位的去除操作。因此与传统的DInSAR技术对比，具有解更为稳定，解算错误较少的优点。SBAS方法首先将所收集的SAR数据按照一定的原则组合成若干集合，对集合内的干涉对进行常规差分干涉，获得解缠后的时间相位系列，然后对相干性高的点求解沉降速率和各时间点的累积形变量。实现处理步骤主要为：差分干涉图的生成、高相干目标点的选取、高相干点沉降速率和形变场的获取、最小二乘方法运算模型、奇异值分解(SVD)方法解构[6-8]。其中实验处理流程设定数据集合中垂直基线阈值为150 m，时间基线阈值为180 d，通过自由组合生成30个基于不同主影像的干涉对。时空基线关系构成如图3所示。

图3 SBAS干涉像对连接图

3 实验成果及分析

从DInSAR的桥面反演结果(见图4)可以发现在东江大桥桥面上的变化较小，垂直方向上没有出现明显的沉降信号或抬升信号。同时可以看到在DInSAR的反演结果中显示大桥两岸的地物变化比较小，整体处于稳定状态。由此，可以认为基于DInSAR方法所得到的测量结果中，目标区域的变化较为平缓，而且变化的量级较小。

图4 D_InSAR反演结果

而在使用SBAS方法反演获得的结果中(如图5所示)发现监测大桥区域目标点比较稀少，而周遭区域目标点却均匀分布。这是由于雷达影像在覆盖大桥中段的像元的信噪比较低，干涉相位的相干性较差。因此在SBAS反演模型中为了保证解缠结果中不出现区域性的解缠错误，解缠路径绕过该部分像元，因此在SBAS方法的反演结果中这部分数据出现缺失。由此，为了完成对大桥的形变历史分析，可以通过在大桥桥面的关键部位进行目标点采样。基于采样目标点进行时间序列上的形变分析，挖掘大桥的整体形变细节特征。采样点分布细节见图6。

图5 SBAS结果采样点分布

从采样点的形变时间序列(图7、图8)来说，桥梁东侧桥面上的采样点(编号78，79，81见图5采样点的平面分布图)的反演结果显示，在2019-05-08—05-20观测的数据之间出现了一个较为明显的下沉回弹变形趋势，形变量约为6 mm。其中78号点位于五号墩上方桥面，79号点位于五号墩西侧约10 m的桥面，82号点则位于大桥西侧的大桥主体外的引桥部分(图5)。同时桥梁西侧的采样点则没有呈现明显的变化。由于卫星数据集没有获取该大桥在进行整修期间的影像数据，因此这样的变化原因与维护活动无关。而据采样点的变化时间序列来说，虽然桥上的不同部位呈现不同的变化趋势，但是变化的量级均比较小，因此采样点可以看作是稳定的。从这些目标点上的形变时间序列结果可以发现在桥梁的两岸引桥部分的变化是比较小的(图7、图8)。由此，可以认为基于SBAS方法所得到的测量结果中，目标区域仍旧显示出了平稳发展的趋势。

图6 东江大桥SBAS反演结果采样点分布

图7 河源市东江大桥桥面(西侧)采样点SBAS反演结果采样点垂直形变时间序列变化

图8 河源市东江大桥桥面(东侧)采样点SBAS反演结果采样点垂直形变时间序列变化

据资料显示河源东江大桥在垮塌事故发生之前，东江大桥上游的枫树坝水库由于河源市地区连续多日的持续性强降水而进行连续多日的泄洪作业，事发水域水流较为湍急。有关分析显示该桥梁垮塌事故是由于桥梁第三拱强度不足造成。原因有可能是水流的冲刷、漂流物的撞击或者是由于水的浸泡造成拱脚混凝土强度的降低。而使用InSAR技术所获取的结果显示，该大桥在事发之前所能监测到的部分没有出现明显的形变，一定程度能够佐证大桥的事故原因是突发的因素,例如物体撞击或者水流的冲刷造成。

4 结束语

本研究使用SAR卫星干涉宽幅模式的雷达影像数据集对河源市东江大桥的形变变化进行研究。在本实验中同时使用了DInSAR技术以及SBAS技术两种不同的InSAR测量技术进行联合研究，旨在针对两种不同的技术所具有的优点以及缺点进行互补，尽可能的发掘卫星雷达数据的形变测量能力。通过两种不同InSAR技术监测所得成果均显示该大桥在监测时间内处于平稳状态，并没有出现不均匀形变的发展趋势。通过结合桥梁形变规律和历史存档资料综合分析认为桥梁垮塌成因来自于突发的因素，例如物体撞击或者水流的冲刷造成。综上，InSAR技术所能提供的形变速度以及形变时间序列结果能够为桥梁基础设施灾害防治工作初期普查以及成因初步分析提供较为可靠的数据来源。