一种基于PSInSAR技术的桥梁安全预警方法技术

本发明专利技术涉及一种基于PSInSAR技术的桥梁安全预警方法，该方法包括如下步骤：S1：通过聚束模式PSInSAR对桥梁形变信息进行提取；S2：建立基于桥梁模型的PSInSAR相干性评估模型；S3：基于SAR技术的桥梁形变关键点获取其随机形变规律；S4：结合PSInSAR得到的桥梁形变关键点形变信息，依据桥梁施工规范，运用多维随机变量理论，建立基于高分辨率遥感数据的桥梁安全预警判据。其解决了人工检测所需设备造价高，工作量大，检测周期长的问题，能够有效地对桥梁安全问题做出预警等优点。

A Bridge Safety Early Warning Method Based on PSInSAR Technology

The present invention relates to a bridge safety early warning method based on PSInSAR technology, which includes the following steps: S1: extracting bridge deformation information by spotlight PSInSAR; S2: establishing PSInSAR coherence evaluation model based on bridge model; S3: obtaining random deformation rules based on key points of bridge deformation based on SAR technology. Law; S4: Combining the deformation information of key points of bridge deformation obtained by PSInSAR, according to the bridge construction specifications, using multi-dimensional random variable theory, a bridge safety early warning criterion based on high-resolution remote sensing data is established. It solves the problems of high cost, heavy workload and long detection period of the equipment needed for manual detection, and can effectively make early warning of bridge safety problems.

【技术实现步骤摘要】
一种基于PSInSAR技术的桥梁安全预警方法
本专利技术涉及桥梁预警
，尤其涉及一种基于PSInSAR技术的桥梁安全预警方法。
技术介绍
桥梁结构的安全预警研究，是近几十年来随着结构工程研究理论的不断发展和工程实际需要而提出的新课题。安全预警是通过获得的监测数据和计算结论，获得结构安全性能的整体评价。安全预警不但可以科学的给出结构的可靠性，还是制定养护和维修计划的重要参考。目前常见的方法包括：(1)基于外观检查评定法；(2)基于设计规范的方法；(3)荷载试验评定法；(4)专家经验评定法；(5)基于结构可靠度理论的方法；(6)承载能力的计算机有限元模拟。随着合成孔径雷达(SAR)遥感技术的快速发展，利用SAR的干涉相位信息从空间获取地表高程进行地表形变监测成为可能，其测量技术主要分为差分干涉(DInSAR)技术和永久散射体干涉(PSInSAR)技术。采用这两种技术可以有效地弥补形变监测传统方法的不足，可对大面积区域进行逐点测量，不受地域限制，可以说，DInSAR/PSInSAR是目前对连续区域进行高精度形变测量的唯一手段。因此，基于星载SAR干涉处理的形变技术是遥感卫星应用的必要技术。传统的桥梁形变监测手段主要通过布设一、二等水准网后再经过严密的平差程序，最终提取出每一期的微小地面沉降变化值，或者通过GPS定点测量进行监测，这些方法的优点是测量精度高、成果可靠，缺点是耗费大量的人力物力、成本高、测量点稀疏、复测时间间隔长，给桥梁监测增加了许多难度。另外，近几年随着桥检车等先进检测工具的使用，人工检测的范围在逐渐扩大，但这些设备需要昂贵的造价，工作量大，检测周期长。因此，寻找更先进的适用于桥梁健康的长期监测手段尤为迫切。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：克服现有技术中桥梁形变监测预警方法存在的上述不足，提供一种基于PSInSAR技术的桥梁安全预警方法，其解决了人工检测所需设备造价高，工作量大，检测周期长的问题，能够有效地对桥梁安全问题做出预警等优点。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案实现：一种基于PSInSAR技术的桥梁安全预警方法，该方法包括如下步骤：S1：通过聚束模式PSInSAR进行形变信息提取：主要针对聚束模式展开工作，采用聚束处理算法的保相性；基于聚束模式的重采样技术，影像配准过后进行辅影像的重采样，以利于干涉条纹的生成；对永久散射体(PS)形变信息提取；S2：建立基于桥梁模型的PSInSAR相干性评估模型，即建立干涉相位噪声的时空协方差系统模型实现对星载永久散射体干涉性能的评估；S3：基于SAR技术的桥梁形变关键点获取其随机形变规律；S4：运用多维随机变量理论，分析随机有限元程序输出的关键点形变值的统计特征量，建立形变关键点变形规律的概率分布模型；考虑目标桥梁的实际情况，要用到多维随机变量函数的统计特征值——数学期望和方差；依据关键点形变的概率分布模型和PSInSAR相干性评估模型中得到的桥梁形变关键点形变信息，考虑PSInSAR的随机误差，建立基于PSInSAR数据的桥梁当前技术状况级别置信度评定方法；进而结合桥梁相关现行规范，开发基于高分辨率遥感数据的桥梁安全预警判据体系，实现桥梁安全预警技术。作为上述方案的进一步优化，在步骤S1中，基于聚束模式的重采样技术，为利于干涉条纹的生成插值函数未考虑相位的信息保护，影像配准过后要进行辅影像的重采样，对于常规卫星聚束模式，因多普勒中心随着方位向时间呈线性变换，所以根据卫星多普勒参数做线性拟合，其中多普勒中心变化斜率为：上式中，fDc,n为第n行多普勒中心频率；fDc,1为第一行多普勒中心频率；tDc,n为第n行的时间；tDc,1为第一行的时间，最后在采样后对方位向数据做滤波处理：c(t)为相位校正；j为虚数单位；t为多普勒中心变化终止时间，tstart为多普勒中心变化起始时间；对同一地区获取的N幅SAR图像，依据SAR图像的时间基线、空间基线、多普勒中心频率构成的三维空间分布图来选择一幅合适的SAR图像作为主图像，将其他图像作为辅图像，组合成N-1幅干涉图；在充分考虑N幅SAR图像之间的时间基线、空间基线和多普勒质心频率差三个因素最优化的基础上，可建立如下的综合相关系数模型：其中：上述公式中，分别为第m幅图像和第k幅图像之间的空间基线、时间基线和多普勒基线，B⊥,c，T⊥,c，f⊥,c分别为临界空间基线、临界时间基线和临界多普勒基线；γm为模型综合相关系数；利用参考DEM和精确的轨道数据，去除地形相位生成差分干涉相位图；根据相干系数阈值法或幅度阈值法进行候选PS点的选择；在N-1幅干涉图的所有PS点上建立平均形变速率、高程误差、大气相位参数与差分相位的模型方程组,只考虑线性形变的情况下，利用N-1幅干涉图和H个PS点，建立如下的模型方程组，即ΔΦ＝aT+pξξT+pηηT+BεT+TvT+E式中，a为相位常量；pξ、pη分别为由于大气贡献或者轨道误差的原因，在方位向量ξ和距离向量η上的线性相位系数；B为N-1幅干涉图的垂直基线；ε为每个PS点的高程残余项，为残余高程乘以系数中的R和θ分别是各PS点与获取主图像的雷达对应的斜距和局部入射角；T为N-1幅干涉图中主辅图像时间间隔乘以v为每一PS点沿雷达视线方向上的线性形变速率；E为残余相位，包括大气非线性相位，形变非线性相位和噪声相位；由上式可知，该相位模型考虑了成像几何、地表形变、大气效应、时间和基线去相干因素；几何相位包含地形误差引起的相位和卫星位置(轨道不重合)引起的相位，其中卫星位置引起的相位又可分解为沿方位向和距离向坐标线性变换的两个分量；大气相位可分解成常数项、线性变化项和残差项之和；地形相位和形变相位分别是与基线、高程误差和形变速率、时间相关的两个独立项；对于上式的差分干涉相位函数模型，如果能获得各PS点的差分干涉相位的解缠相位，则模型的解算就是一个线性方程组的求解问题；不考虑噪声E的情况下，通过迭代估计，解出3×(N-1)+2H个未知数，其中，H为PS点选取的数量；得到线性形变速率、高程误差和大气影响相位的初始估计；在求解过程中，应用到一个重要的参数，即整体相位相关系数γk，其表达式为：式中，为第i幅干涉图上，第k个PS点的观测相位和建模相位之差，γk的绝对值取值范围在[0,1]，它可用于评价相位离散度，对于一个PS点来说，当其在所有干涉图上的相位离散度均低时，|γk|接近于1；线性形变速率和高程误差正是通过如下的最优化模型进行求解，即式中，φi是第i幅差分干涉图上PS点去除大气影响相位后的相位；B⊥i是第i幅干涉图上的空间基线；j为虚数单位；ε为每个PS点的高程残余项，为残余高程乘以v为每一PS点沿雷达视线方向上的线性形变速率；相邻PS点的DInSAR相位差表示为：式中，Δv为相邻PS点间的形变速度增量，Δε为相邻PS点间的高度误差增量，Δwi为残余相位，包括大气相位、非线性形变相位和噪声相位；R和θ分别是各PS点与获取主图像的雷达对应的斜距和局部入射角；T为N-1幅干涉图中主辅图像时间间隔乘以设vi和εi分别为PSi的线性形变速率和高程修正值，PSi与PSj的差分有如下关系如下：式中，Δν和Δε为两个PS点的线性形变速率之差和高程修正差，PS网络包括形变速率网和高程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PSInSAR技术的桥梁安全预警方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1：通过聚束模式PSInSAR进行形变信息提取：主要针对聚束模式展开工作，采用聚束处理算法的保相性；基于聚束模式的重采样技术，影像配准过后进行辅影像的重采样，以利于干涉条纹的生成；对永久散射体(PS)形变信息提取；S2：建立基于桥梁模型的PSInSAR相干性评估模型，即建立干涉相位噪声的时空协方差系统模型实现对星载永久散射体干涉性能的评估；S3：基于SAR技术的桥梁形变关键点获取其随机形变规律；S4：运用多维随机变量理论，分析随机有限元程序输出的关键点形变值的统计特征量，建立形变关键点变形规律的概率分布模型；考虑目标桥梁的实际情况，要用到多维随机变量函数的统计特征值——数学期望和方差；依据关键点形变的概率分布模型和PSInSAR相干性评估模型中得到的桥梁形变关键点形变信息，考虑PSInSAR的随机误差，建立基于PSInSAR数据的桥梁当前技术状况级别置信度评定方法；进而结合桥梁相关现行规范，开发基于高分辨率遥感数据的桥梁安全预警判据体系，实现桥梁安全预警技术。

【技术特征摘要】
1.一种基于PSInSAR技术的桥梁安全预警方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1：通过聚束模式PSInSAR进行形变信息提取：主要针对聚束模式展开工作，采用聚束处理算法的保相性；基于聚束模式的重采样技术，影像配准过后进行辅影像的重采样，以利于干涉条纹的生成；对永久散射体(PS)形变信息提取；S2：建立基于桥梁模型的PSInSAR相干性评估模型，即建立干涉相位噪声的时空协方差系统模型实现对星载永久散射体干涉性能的评估；S3：基于SAR技术的桥梁形变关键点获取其随机形变规律；S4：运用多维随机变量理论，分析随机有限元程序输出的关键点形变值的统计特征量，建立形变关键点变形规律的概率分布模型；考虑目标桥梁的实际情况，要用到多维随机变量函数的统计特征值——数学期望和方差；依据关键点形变的概率分布模型和PSInSAR相干性评估模型中得到的桥梁形变关键点形变信息，考虑PSInSAR的随机误差，建立基于PSInSAR数据的桥梁当前技术状况级别置信度评定方法；进而结合桥梁相关现行规范，开发基于高分辨率遥感数据的桥梁安全预警判据体系，实现桥梁安全预警技术。2.根据权利要求1所述的基于PSInSAR技术的桥梁安全预警方法，其特征在于：在步骤S1中，基于聚束模式的重采样技术，为利于干涉条纹的生成插值函数未考虑相位的信息保护，影像配准过后要进行辅影像的重采样，对于常规卫星聚束模式，因多普勒中心随着方位向时间呈线性变换，所以根据卫星多普勒参数做线性拟合，其中多普勒中心变化斜率为：上式中，fDc,n为第n行多普勒中心频率；fDc,1为第一行多普勒中心频率；tDc,n为第n行的时间；tDc,1为第一行的时间，最后在采样后对方位向数据做滤波处理：c(t)为相位校正；j为虚数单位；t为多普勒中心变化终止时间，tstart为多普勒中心变化起始时间；对同一地区获取的N幅SAR图像，依据SAR图像的时间基线、空间基线、多普勒中心频率构成的三维空间分布图来选择一幅合适的SAR图像作为主图像，将其他图像作为辅图像，组合成N-1幅干涉图；在充分考虑N幅SAR图像之间的时间基线、空间基线和多普勒质心频率差三个因素最优化的基础上，可建立如下的综合相关系数模型：其中：上述公式中，分别为第m幅图像和第k幅图像之间的空间基线、时间基线和多普勒基线，B⊥,c，T⊥,c，f⊥,c分别为临界空间基线、临界时间基线和临界多普勒基线；γm为模型综合相关系数；利用参考DEM和精确的轨道数据，去除地形相位生成差分干涉相位图；根据相干系数阈值法或幅度阈值法进行候选PS点的选择；在N-1幅干涉图的所有PS点上建立平均形变速率、高程误差、大气相位参数与差分相位的模型方程组,只考虑线性形变的情况下，利用N-1幅干涉图和H个PS点，建立如下的模型方程组，即ΔΦ＝aT+pξξT+pηηT+BεT+TvT+E式中，a为相位常量；pξ、pη分别为由于大气贡献或者轨道误差的原因，在方位向量ξ和距离向量η上的线性相位系数；B为N-1幅干涉图的垂直基线；ε为每个PS点的高程残余项，为残余高程乘以系数中的R和θ分别是各PS点与获取主图像的雷达对应的斜距和局部入射角；T为N-1幅干涉图中主辅图像时间间隔乘以v为每一PS点沿雷达视线方向上的线性形变速率；E为残余相位，包括大气非线性相位，形变非线性相位和噪声相位；不考虑噪声E的情况下，通过迭代估计，解出3×(N-1)+2H个未知数，其中，H为PS点选取的数量；得到线性形变速率、高程误差和大气影响相位的初始估计；在求解过程中，应用到一个重要的参数，即整体相位相关系数γk，其表达式为：式中，为第i幅干涉图上，第k个PS点的观测相位和建模相位之差，γk的绝对值取值范围在[0,1]，它可用于评价相位离散度，对于一个PS点来说，当其...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伦，冯涛，张华，李缘廷，
申请(专利权)人：国交空间信息技术北京有限公司，北京国交信通科技发展有限公司，中国交通通信信息中心，
类型：发明
国别省市：北京,11