黃其歡 丁幼亮 王一安 尹方舟

(1河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211100)(2東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

基于InSAR的南京大勝關(guān)大橋縱向位移監(jiān)測(cè)與分析

黃其歡1丁幼亮2王一安1尹方舟2

(1河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211100)(2東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

為解決傳統(tǒng)橋梁位移監(jiān)測(cè)方法傳感器數(shù)量有限、監(jiān)測(cè)信息不全面以及監(jiān)測(cè)成本高等問題,以京滬高鐵南京大勝關(guān)大橋?yàn)閷?duì)象,研究了基于合成孔徑雷達(dá)干涉(InSAR)的大跨橋梁結(jié)構(gòu)縱向位移監(jiān)測(cè)方法.利用歐空局Sentinel-1A衛(wèi)星IW模式影像,建立了適用于大跨橋梁縱向位移監(jiān)測(cè)的InSAR時(shí)間序列分析方法,得到了全橋1 723個(gè)相干目標(biāo)的縱向位移信息.分析結(jié)果表明,大橋縱向位移主要由熱膨脹引起,采用InSAR技術(shù)可以準(zhǔn)確識(shí)別全橋縱向位移,且支座處縱向位移與結(jié)構(gòu)溫度的相關(guān)性模型與該橋支座位移傳感器建模結(jié)果吻合.

SAR;干涉;位移;高速鐵路橋梁;結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)

橋梁位移監(jiān)測(cè)是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容之一.在橋梁活動(dòng)支座、伸縮縫等特定位置開展縱向位移的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),對(duì)于準(zhǔn)確把握橋梁縱向變形性能、評(píng)估支座和伸縮縫工作狀態(tài)具有重要應(yīng)用價(jià)值[1-3].傳統(tǒng)橋梁位移監(jiān)測(cè)技術(shù)通過布設(shè)位移傳感器來采集離散監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移信息,可能導(dǎo)致獲取信息不全面,并且監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施成本高,管理維護(hù)困難.

合成孔徑雷達(dá)干涉技術(shù)(InSAR)可提取2次成像期間地面目標(biāo)雷達(dá)視線(LOS)向大面積變形信息[4],精度可達(dá)毫米[5],并且不受天氣和晝夜限制.基于多景雷達(dá)影像的InSAR時(shí)間序列分析方法已成功應(yīng)用于大面積、時(shí)空連續(xù)的地表變形過程監(jiān)測(cè),例如滑坡[6]、城市緩慢地面沉降[7]和大型人工線狀地物[8]的變形監(jiān)測(cè).由于目標(biāo)熱膨脹引起的干涉相位顯著影響地表形變信息的提取,傳統(tǒng)InSAR時(shí)間序列分析方法將其與熱膨脹導(dǎo)致的干涉相位、數(shù)字高程模型(DEM)誤差等進(jìn)行聯(lián)合解算,并將其作為誤差和DEM誤差一起被去除,以獲取高精度的地表沉降速率.

已有研究表明,大跨橋梁的縱向位移主要由結(jié)構(gòu)熱膨脹引起,并且與結(jié)構(gòu)溫度之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性[2].本文研究了大跨橋梁InSAR相位組成特點(diǎn),建立了適用于大跨橋梁縱向位移監(jiān)測(cè)的InSAR時(shí)間序列分析模型.以京滬高鐵南京大勝關(guān)大橋?yàn)閷?duì)象,利用歐空局Sentinel-1A衛(wèi)星影像,獲得了全橋1 723個(gè)相干目標(biāo)的縱向位移信息,建立了支座處縱向位移與結(jié)構(gòu)溫度的相關(guān)性模型以及全橋縱向位移的空間相關(guān)性模型,實(shí)現(xiàn)了全橋縱向變形的準(zhǔn)確監(jiān)控.

1 大跨橋梁縱向位移監(jiān)測(cè)的InSAR時(shí)間序列模型

InSAR時(shí)間序列分析方法的基本思想是利用時(shí)間序列SAR影像進(jìn)行差分干涉處理,從中選取具有長(zhǎng)期穩(wěn)定散射特性的永久散射體(PS),建立相位各參數(shù)的時(shí)空模型并進(jìn)行解算.對(duì)于干涉對(duì)k,InSAR時(shí)間序列分析的相位方程如下:

(1)

令目標(biāo)函數(shù)為

(2)

大跨橋梁為線性結(jié)構(gòu),且橋面高差基本一致,式(1)過于復(fù)雜,且模型的解算限制因素較多,不利于大跨橋梁縱向位移監(jiān)測(cè).考慮到大跨橋梁橋面高差相對(duì)較小,InSAR時(shí)間序列分析模型的DEM誤差影響一致,故選定參考點(diǎn)后,可以忽略不計(jì)DEM誤差對(duì)干涉相位的影響.同時(shí),DEM誤差對(duì)干涉相位的影響與空間基線Bk有關(guān),基線越大,影響越大.對(duì)于Sentinel-1A衛(wèi)星而言,Bk一般小于150 m,故DEM的誤差可不予考慮.對(duì)于式(1)中第1項(xiàng)所示的線性速率,由于大跨橋梁成橋運(yùn)營(yíng)期間橋墩沉降已趨于穩(wěn)定,線性特性不明顯.因此,僅考慮結(jié)構(gòu)熱膨脹的InSAR時(shí)間序列模型可以簡(jiǎn)化為

(3)

(4)

式中,Φk為k時(shí)刻解纏相位;T0和Tk分別為參考時(shí)刻和k時(shí)刻的溫度.將LOS向位移轉(zhuǎn)換到橋梁縱向位移,并假設(shè)縱向位移與溫度呈線性關(guān)系,則

dL=aT+b+ε

(5)

2 京滬高鐵南京大勝關(guān)大橋縱向位移監(jiān)測(cè)與評(píng)估

2.1 工程概況

京滬高鐵南京大勝關(guān)大橋?yàn)榫咚勹F路和滬漢蓉鐵路共用的跨江通道,是世界最大跨度六線高速鐵路大橋.為適應(yīng)溫度變化引起鋼主梁產(chǎn)生的縱向位移,大橋在4#,5#,6#,8#,9#,10#橋墩上安裝了縱向活動(dòng)支座(支座編號(hào)與橋墩一致),而主橋中部的7#橋墩用鉸接支座進(jìn)行固定(見圖1).大勝關(guān)大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)縱向活動(dòng)支座安裝了位移傳感器,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支座處的縱向位移.

圖1 南京大勝關(guān)大橋整體布置圖(單位：m)

2.2 SAR影像數(shù)據(jù)與處理

收集Sentinel-1A升軌IW模式SLC影像21景,時(shí)期為2015年4月25日—2016年4月7日.為減小時(shí)空失相干,僅在相鄰影像間進(jìn)行干涉處理,并保持原有影像空間分辨率,地形相位去除采用SRTM3 DEM模型.干涉圖最大時(shí)間基線為72 d,最大空間基線為114 m.表1給出了干涉對(duì)參數(shù)及影像成像時(shí)刻的結(jié)構(gòu)溫差.圖2(a)為大橋SAR強(qiáng)度均值圖;圖2(b)為2016年3月26日和4月7日所獲影像的差分干涉圖.從圖中可以看出,南京大勝關(guān)大橋雷達(dá)反射信號(hào)強(qiáng),干涉條紋連續(xù)、清晰,且干涉條紋的色彩變化部分與主橋吻合.

表1 變形監(jiān)測(cè)影像干涉對(duì)參數(shù)及成像時(shí)刻的結(jié)構(gòu)溫差

(a) SAR 強(qiáng)度均值圖

(b) 差分干涉圖

圖2 SAR強(qiáng)度均值圖和差分干涉圖

選取幅度離差指數(shù)小于0.2的像元作為相干像元,利用最小費(fèi)用流法[9]進(jìn)行相位解纏,并以2015年4月25日作為初始時(shí)刻進(jìn)行相位規(guī)劃統(tǒng)一.圖3給出了大勝關(guān)大橋LOS向變形時(shí)空序列圖.從圖中可以看出,大橋相干特性良好,共計(jì)1 723個(gè)相干目標(biāo)的縱向位移信息，覆蓋整個(gè)大橋.大橋兩端變形最大,且變形方向相反,隨著時(shí)間變化變形方向交替變化.究其原因在于,大勝關(guān)大橋主梁是以7#橋墩為中心的對(duì)稱結(jié)構(gòu),中部7#墩鉸接固定導(dǎo)致主梁在其他活動(dòng)支座上向兩邊滑動(dòng).

2.3 雷達(dá)視線向變形分解

設(shè)LOS向變形由大橋縱向變形引起,大勝關(guān)大橋Sentine-lA升軌成像幾何如圖4所示.LOS向與橋梁縱向位移dL可由下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換:

(a) 2015-04-25

(b) 2015-07-06

(c) 2015-07-30

(d) 2015-08-11

(e) 2015-08-23

(f) 2015-09-16

(g) 2015-09-28

(h) 2015-10-10

(i) 2015-10-22

(j) 2015-11-03

(k) 2015-11-15

(l) 2015-11-27

(m) 2015-12-09

(n) 2015-12-21

(o) 2016-01-14

(p) 2016-01-26

(q) 2016-02-19

(r) 2016-03-02

(s) 2016-03-14

(t) 2016-03-26

(u) 2016-04-07

圖3 大勝關(guān)大橋LOS向變形時(shí)間序列圖

圖4 大勝關(guān)大橋Sentine-lA升軌成像LOS向變形分解

(6)

式中,dLOS為衛(wèi)星測(cè)量的LOS向變形;α為L(zhǎng)OS向與橋梁水平夾角;θ為衛(wèi)星入射角.

3 縱向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 縱向位移與結(jié)構(gòu)溫度的相關(guān)性分析

根據(jù)式(6)將LOS向變形轉(zhuǎn)化為橋梁縱向位移,并以7#支座為參考點(diǎn)進(jìn)行分析.圖5給出了各活動(dòng)支座處的縱向位移時(shí)間序列.可以看出,大橋支座縱向位移呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征,并且支座在4#,5#,6#和8#,9#,10#橋墩處的縱向位移具有反對(duì)稱特性.對(duì)比結(jié)構(gòu)平均溫度曲線可以看出,支座在8#,9#,10#橋墩處的變形與結(jié)構(gòu)溫度正相關(guān)明顯,而在4#,5#,6#橋墩處與結(jié)構(gòu)溫度具有較好的負(fù)相關(guān)特性.

圖5 支座處縱向位移及成像時(shí)刻結(jié)構(gòu)平均溫度時(shí)間序列

根據(jù)式(5)建立各活動(dòng)支座的縱向位移與結(jié)構(gòu)溫度的相關(guān)性模型.圖6為4#,5#,6#活動(dòng)支座的相關(guān)性分析結(jié)果.從圖中可以看出,大橋縱向位移與結(jié)構(gòu)溫度具有明顯的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為0.99,0.99,0.98,單位溫度變化引起的大橋縱向位移分別為7.2,5.8,3.8 mm.為了驗(yàn)證基于InSAR技術(shù)的縱向位移監(jiān)測(cè)方法的有效性,對(duì)本文方法和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支座位移傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果見表2.可以看出,采用InSAR技術(shù)可以準(zhǔn)確識(shí)別全橋縱向位移,支座處縱向位移與結(jié)構(gòu)溫度的相關(guān)性模型與該橋支座位移傳感器建模結(jié)果吻合.

表2 支座縱向位移與溫度的相關(guān)性模型對(duì)比

(b) 5#支座

(c) 6#支座

3.2 全橋縱向位移的空間相關(guān)性分析

全橋縱向位移的空間相關(guān)性監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖7.由圖可知,溫度作用下全橋縱向位移呈現(xiàn)出明顯的線性空間分布特征,即距離7#橋墩較近的縱向位移較小,而距離7#橋墩較遠(yuǎn)的縱向位移則較大.

圖7 大勝關(guān)大橋縱向位移的空間相關(guān)性監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

1) 基于Sentinel-1A雷達(dá)影像，提取了南京大勝關(guān)大橋主橋由于熱膨脹引起的雷達(dá)視線向變形，并將變形歸化為橋梁縱向位移，建立了大橋縱向位移與結(jié)構(gòu)溫度的相關(guān)性模型，提出了適用于大跨橋梁縱向位移監(jiān)測(cè)的InSAR時(shí)間序列分析方法.

2) 實(shí)現(xiàn)了京滬高鐵南京大勝關(guān)大橋全橋縱向位移監(jiān)測(cè)，南京大勝關(guān)大橋主橋的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到1 723個(gè).

3) InSAR時(shí)間序列分析法獲取的橋梁縱向位移具有較高的精度，且縱向位移與結(jié)構(gòu)溫度的相關(guān)性模型與該橋支座位移傳感器建模結(jié)果吻合.

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InSAR-based longitudinal displacement monitoring and analysis on Nanjing Dashengguan bridge

Huang Qihuan1Ding Youliang2Wang Yian1Yin Fangzhou2

(1School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 211100, China)(2Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To resolve the problem of the traditional bridge displacement monitoring methods, such as the limited numbers of the monitoring sensors, the incomprehensive monitoring information, the high costs and so on, a monitoring method for the longitudinal displacement of long-span bridges based on the interference of the synthetic aperture radar (InSAR) is proposed by taking the Nanjing Dashengguan bridge as the research subject. The InSAR time series analysis method for longitudinal displacement monitoring of the long-span bridges is established by using the interferometric wide (IW) model image of the Sentinel-1A satellite of the European Space Egency (ESA), and the longitudinal displacement information of 1 723 coherent targets is obtained. The results show that the longitudinal displacement of the bridge is mainly caused by the thermal expansion of the bridge structure. The InSAR technique can accurately identify the longitudinal displacement of the whole bridge. Furthermore, the correlation model between the longitudinal displacement of the bridge and the structural temperature is in agreement with the modeling results of the bridge displacement sensors.

synthetic aperture radar(SAR); interferometry; displacement; high-speed railway bridge; structural health monitoring

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.028

2016-09-01. 作者簡(jiǎn)介: 黃其歡(1978—),男,博士,副教授;丁幼亮(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,civilding@163.com.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2015CB060000)、國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41304025, 51578138, 51608258)、江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20130831).

黃其歡，丁幼亮,王一安，等.基于InSAR的南京大勝關(guān)大橋縱向位移監(jiān)測(cè)與分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(3):584-589.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.028.

P237

A

1001-0505(2017)03-0584-06