重庆某跨江大桥竣工三维激光扫描与形变监测技术服务案例

基于雷达干涉测量的岩溶地表和结构物形变监测技术与方法

武汉市是中国特大城市,人口超过1000万,在过去的几十年里经历了重大的发展.同时,武汉市北起天兴洲南至汉南区分布着6条NWW-SEE走向的隐伏岩溶带,第四系松散沉积物直接覆盖于各岩溶带上.长江,汉江穿境而过,大量城中湖散布其中,加上密集的市政工程开挖和工业建设采水,使武汉成为我国最易发生岩溶塌陷和地表沉降的大城市之一.另外,自然环境激励下,大型构筑物(如高层建筑物,桥梁等)的振动千姿百态,瞬息变化,实时或准实时监测这类构筑物的动态振动特征并提取其运行模态参数(固有频率,阻尼比,模态振型)对其安全运营,维护及管理决策至关重要. 多时相InSAR技术作为一种全新的空间对地观测技术,具有全天时,全天候,覆盖范围广,跨越时间长,测量精度高的特点,因此特别适合应用在大范围,缓慢均匀形变的场景中,如城市地面沉降,失稳边坡,岩溶地表塌陷等.然而,针对小区域或单个变形体,如蠕变滑坡,岩石崩塌,大型构筑物动态振动及健康监测等,分布位置不规律,致变形因素多样化,快速形变的问题,地基雷达干涉测量(GBRI)作为星载SAR在地面上的实现,具有安装简单灵活,采样速率高,实时处理等优点,因此特别适合城市局部滑坡,局部岩溶地表塌陷及单体结构的形变与健康监测. 本文以武汉市岩溶地表塌陷/沉降和南宁市柳沙半岛滑坡,武汉白沙洲大桥及绿地中心为研究对象,分别研究了基于StaMPS-MTI多时相InSAR技术的武汉岩溶地表致陷(沉)因子定量评估以及基于GBRI的城市滑坡与结构的形变监测.主要研究内容包括: 1)系统的介绍了星载InSAR,D-InSAR以及GBRI技术获取地面高程,形变位移的公式推导及数据处理流,并对形变监测中的误差来源,模型及相应的去除或减弱措施进行了归纳总结. 2)总结推导了StaMPS-MTI技术中基于振幅偏移量多项式拟合的配准算法,PS/SFDP点筛选策略以及基于"相位-高程"线性关系的对流层延迟估计模型,在此基础上,提出了基于多尺度BP滤波的"相位-高程"对流层延迟改正方法,并将其集成到StaMPS-MTI多时相InSAR数据处理软件中进行实例测试,对伊朗44幅Sentinel-1A得到的结果与GACOS对流层延迟产品进行比对,基于BP滤波"相位-高程"对流层估计模型改正后的解缠相位RMS最大为2.3rad,均值为1.47rad,两指标均较采用GACOS方法要小,进而验证了该方法的有效性. 3)在综合分析了现有多时相InSAR结果拼接方法的基础上,本论文考虑了雷达入射角偏差,邻轨独立多时相InSAR处理中参考点选取差异对邻轨拼接结果的影响,提出了基于区块采样求加权速率差众数的邻轨StaMPS-MTI形变速率拼接方法,利用该方法完成了武汉TerraSAR-XTrack8和Track9的多时相InSAR结果拼接,邻轨重叠区域的加权速率差众数为1.37mm/yr,拼接结果消除了拼接前邻轨重叠区域明显的速率梯度跳变. 4)针对如何建立地表位移,水文因素(地下水,长江水位,降雨等)及岩溶地质条件等多因素的耦合关系,进而量化武汉岩溶地表致陷(沉)因子的问题,引入了交叉小波变换的位移-水位耦合分析和基于建筑物密度指数法(IBI)对武汉岩溶地表塌陷/沉降从工商业分布(用水),水文地质条件,孔隙/岩溶水变化,市政建设,建筑物荷载等方面进行分析和致陷(沉)因子定量化.结果表明:武汉北地面沉降与工业生产区在空间分布上具有较高的空间相关性;岩溶高度发育的白沙洲地区,在典型的"上粘下砂"覆土二元结构,长江两岸一级阶地的长江水-孔隙水-岩溶水快速水力循环,地上工程建设抽水及地下30m空间内开挖的共同作用下,加速了白沙洲地区地下潜蚀和真空吸蚀过程,从而导致了历史上的多次岩溶地表塌陷以及岩溶带上的地表沉降;沉降速率大的地区总体上对应着较大的IBI值,但不能表明筑物荷载就是地面沉降的主导因素,因为即使在沉降率最为显著的地区,IBI与地表形变速率之间最大相关系数仅为50%. 5)对于小场景的GB-SAR形变结果通常是直接以雷达坐标系或叠加在DEM上构成二维位图形式展示的,不利于形变结果的解释,特别是需要将形变匹配到具体的地理场景中时,提出了虚拟现实全景技术(VRP)将场景的视线向形变投影至基于无人机(UAV)采集的研究区域图像而生成的全景图中.利用该方法对南宁柳沙半岛滑坡的GB-SAR形变结果和滑坡区域地形,建筑三维重建模型进行叠加,实现了柳沙滑坡位移时程3-D表达. 6)针对基于FFT的频谱辨识法在提取结构多频振动参数时对高阶频率不敏感,提取误差大的问题,提出了顾及全局和局部搜索能力的序列二次规划优化遗传算法(SQP-GA),并将该算法应用于武汉白沙洲大桥和武汉绿地中心的形变监测及多频振动参数提取.较频谱辨识法,SQP-GA不仅能较准确的提取更高阶数的结构振动主频,同时能获取各阶主频响应下的正余弦振动分量,进而实现对结构在自然环境激励下振动时程的反演.另外基于两台GB-RAR在正交方向上获得的武汉绿地中心位移时程,以及基于高分辨率TerraSAR-X影像的绿地金融城建筑物形变监测,进而获得绿地中心模态振型和其附属楼群的精细化监测.

上海长江大桥竣工荷载试验变形监测方法技术

上海长江大桥通车前夕,主桥斜拉桥进行了荷载试验,共用总重30吨加载车辆60辆,分不同工况对主桥各个控制断面挠度,塔顶位移,伸缩缝位移等参数进行测量.监测中采用全站仪自动化监测技术对主桥的各种形变参数进行了准确有效的测量,保证了竣工荷载试验顺利完成.自动化全站仪系统由自动照准测量全站仪以及定制机载软件和数据分析系统组成.

基于PS-InSAR技术的珠海市地表形变监测与驱动力分析

基于63景Sentinel-1数据,采用PS-InSAR技术监测珠海市2018年10月—2020年11月地面沉降,利用GNSS地面同步观测数据进行精度评定,监测结果的均方根误差为4.58 mm,表明利用PS-InSAR监测研究区地面沉降具有较高的可靠性.分析珠海市地表形变的时空特征,结果表明,珠海市主体部分的平均形变速率在-55~15 mm/a,主要沉降区域分布在珠江水道周边的农垦区及沿海港口区域;主要交通线路为港珠澳大桥珠海连接线和广珠铁路珠海段,均存在年平均形变速率超过20 mm/a的明显形变异常区,需重点关注.结合地质条件,地下水开采情况对珠海市地表形变驱动力进行分析,结果表明,区域内地面沉降速率与软土层的厚度呈正相关,与地下水水位降深呈对数函数关系.

武汉白沙洲长江大桥健康监测系统实现

基于高精度GNSS/GIS集成技术,设计了一套桥梁健康监测系统,以武汉白沙洲长江大桥为应用示范,通过接收GNSS卫星定位信号及参考站的差分信号进行精密解算,实现了对监测站的实时形变监测,综合分析,预警预测及健康评估等功能.结果表明,该监测系统能够实现传统监测方法难以实现的全自动,高精度,全天候,三维立体式形变监测,定位精度达到了实时厘米级,事后毫米级.该系统的应用显著提高了桥梁健康监测的准确性和预测评估的可靠性.