高分三号卫星雷达遥感技术在公路路基路面病害监测的应用与展望

摘 要：将高分三号卫星雷达遥感技术应用于公路路基路面病害监测，可以大范围捕捉到公路路基路面病害运动状态等信息，其本身的局限性和公路病害所处的复杂地形环境使这一技术应用面临困难。本文对高分三号卫星雷达遥感技术在路基路面病害检测应用的主要挑战进行了总结与分析：（1）通过提高卫星雷达影像分辨率，使用较长波段雷达信号分析技术，可降低植被覆盖的影响。（2）大气延迟对卫星遥感的影响较大，尤其是地处山区的公路路基路面病害监测，利用通用型卫星雷达大气改正系统可显著减弱干涉影像的大气信号，提高病害缓慢运动的监测质量。（3）中等分辨率雷达影像，利用数字高程模型可提前量化分析路基路面几何畸变引发的病害监测;高分辨率雷达影像，利用机器学习方法自动生成病害变化预判信息，从而大幅度提高数据处理效率。（4）针对公路沿线高边坡地形相位引起的解缠误差，可通过基线线性组合法交叉监测予以判断。建议通过搭载公路路基路面病害自动化监测系统平台，推广我国高新科技在公路病害監测方面的应用，以科技手段弥补人工、机械在公路养护中的不足，进一步提升公路突发事件应急处治能力和精细化养护水平。

关键词：卫星雷达遥感技术;公路路基路面病害监测;应用与展望

中图分类号：S763 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0098-02

1 路基路面病害基本特征

路基路面病害是公路养护中普遍存在的、由外部因素（如行车碾压、强降雨）触发的失稳变形现象，可引起严重的道路交通事故。为了降低路基路面病害对公众出行带来的安全驾驶隐患和威胁，有针对性的分析、掌握国省干线公路沿线路基路面及桥梁防排设施构造物受力形变发展规律及特点，能够依托我国现阶段先进的精密设备、科学检测仪器和监测技术手段，弥补专业技术人员使用传统技艺、技法存在的监测技术漏洞，做到对国省干线公路路基路面及桥涵防排设施病害多发路段、局部山岭丘地纵坡路段进行重点、精确、实时、有效的病害隐患监测，并及时发现隐患问题，给公路养护管理单位提供可行的科学判断和维修技术指导，这对于现阶段公路养护发展具有深远的影响。运用高分三号卫星雷达遥感技术对公路路基路面病害进行监测，其目的就是要养好公路、以群众安全便捷出行为中心的发展思想，把群众所思、所想、所盼深深植根于公路养护技术中，落实到路基路面隐患和病害的日常巡查、检测养护、维修整治和公路突发事件应急处置等具体行动上，将养护管理与群众的期望紧密结合，为经济社会发展和群众安全便捷出行提供良好的公路通行条件。破解眼下公路综合保障服务水平与人民群众日益增长的出行需求不匹配;路基路面病害日常养护成效、雨雪灾害等突发事件应急处置能力与艰巨繁重的保障任务不匹配;公路路基路面隐患预防性养护管理水平与新时代、新形势、新要求不匹配的公路养护管理困境。

公路路基路面隐患及病害发展的基本特征在空间、时间尺度上存在较大差异。空间上主要集中于局部路段。时间上主要表现在春夏消融、强降雨季节和重车长期碾压荷载，特点主要是随时间推移，长期缓慢运动，受气候和过载等外部因素驱动影响，突然位移加速变化。缓慢运动阶段速率较慢，定期观测数据显示结构状态数据较稳定。而公路路基路面构造物位移形变、病害加速发展阶段，对重点路段、频发多发隐患点的数据观测时间辨析准确率要求更高，必须满足公路养护管理单位对病害隐患位置逐月逐日，甚至是在公路突发事件应急保障处治过程中逐时逐刻的精准监测。在我国山岭丘地上运行的公路，特别是城市周边放射性路网，人口增长和基础设施发展较快，路基路面病害容易引发道路大面积拥堵，造成人员财产损失，甚至是严重的社会影响。

2 路基路面病害监测现状

公路路基路面病害监测在部颁的现行养护技术规范指导中，主要以日常巡查、特殊天气巡查和定期路况检测为主，在某一时刻对潜在安全隐患的路段主要靠人工连续巡查观测和肉眼识别，或人工配合光学卫星影像、全站仪、张力计、测斜仪、应变仪和压力计等判断，对其开展监测监测技术手段，需消耗巨大的人力物力和资金成本，与现阶段国省干线公路养护资金投入与监测检测技术投入需求相当不匹配。现有的人工跟踪观测、技术检测工法，主要是按照部颁《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1-2017）采用便携式移动观测仪器设备对隐患路段、隐患构造物某一处，依据规范细则规定的评定方法，以等距离选点抽检的方式进行点位测量，其点位测量结果无法涵盖和准确反映某一病害多发路段整个路基路面形变特征。对于滑坡等路基病害而言，难以实现长期连续监测。全球导航卫星系统观测手段可以弥补人工检测监测为主的传统手段的不足，提升国省干线公路路基路面隐患多发路段、病害频发点的预判监测精度，大幅提升隐患发现准确性、及时性，确保公路安全运行稳定性。但是，与人工检测监测为主的传统手段技术特性相似的情况是，新技术的应用同样难以获取公路路基路面整体的病害发展和形变特征。综上所述，公路养护管理现有技术技艺技法工效偏低，成本较高，面对突发状况往往处治措施较被动，确保公路长期安全稳定运行面临更大的挑战。

3 高分三号雷达遥感技术在公路病害监测中的应用

高分三号星载合成孔径雷达对地表构造物观测监测遥感技术的应用，可以有效弥补和克服人工检测监测为主的工艺工法，和全球导航卫星系统观测手段难以获取公路路基路面整体的病害发展和形变特征观测手段的不足，为公路重点路段、隐患点的路基路面病害监测提供较高分辨率、精准辨析度的公路地质构造物形变警示信息，实现公路路段点、线、面监测、短时间与长周期相互补位的全新监测模式，为公路病害监测提供新的高精度量化技术手段。近十年，该技术在地质灾害监测中大量应用。高分三号星载合成孔径雷达对地表构造物观测监测遥感技术，在国省干线公路路基路面病害监测方面的应用也有技术局限性，这与我国科学卫星研发技术人员对其进行的研发初衷有很大关系。局限性主要体现在，该技术对我国国省干线公路所处的山岭丘地等复杂地形环境和公路点、线、面的整体运动状态和局部路基路面结构形变的遥感监测上，存在数据处理量庞大、监控点位众多、数据成像时间差、后期分析研判困难等问题，为充分了解高分三号星载合成孔径雷达遥感技术，对地表构造物观测监测公路路基路面病害方面的优势和不足，本文对高分三号卫星雷达遥感技术在路基路面病害检测应用的主要挑战进行了总结与分析：

3.1 卫星雷达遥感技术相干性与干涉

卫星雷达遥感技术相干性与干涉的基本原理是利用具有干涉成像能力的一部合成孔径雷达天线重复观测来获取国省干线公路路基路面病害相同位置和路段，具有一定观测视角差的多幅相干性图像，并由其干涉相位数据分析得出路基路面病害高程、横纵向位移数据信息，从而重建公路路基路面隐患和病害点、线、面的可视性高清数据模型。卫星雷达遥感技术相干性与干涉是以多次反复观测发出回波数据信号，通过对这些相似信号重叠分析，得出所需准确信息，从而评判监测点变化。消相干效应是制约高分三号卫星雷达遥感技术测量精度的瓶颈，量子计算机多重比特会与外部环境发生作用而使相干性衰减，如果消相干效应维持时间不够长，量子计算机运算时间受限，就无法完成计算，导致难以取得稳定且有效的公路路基路面隐患发展、病害形变数据信号。能否通过提高高分三号卫星雷达影像分辨率，使用较长波段雷达信号分析技术，可降低植被覆盖的影响，这需要得到进一步科学论证。

3.2 大气微波辐射干扰

大气微波辐射量较少，在能量传输方面影响并不重要，但是在高分系列卫星雷达遥感技术应用方面，影响却十分重要，高分三号卫星雷达向地球信号接收中心发回信号的过程中，无线电波信号穿越大气层时，会产生地球大气电离区域延迟、大气对流层延迟。首先，大气电离区域延迟与该区域存在的部分电离或完全电离的磁层的电子活跃程度密切相关，特别是卫星运行至地球南北极、赤道区域上空时，对地回传发送的数据信号延迟干扰最为明显。于此同时，地面接收到的数据信号，在干涉影像上呈现出大比例长波状态，通过这种影像状态往往难以监测和判定公路路基路面病害隐患，在时间、空间上的横纵向、高程变化。其次，大气对流层延迟与国省干线公路路网分布的所在地形密切相关，当公路路基路面隐患点、病害多发路段位于山岭丘地、山体隧道及跨越河流谷地等涉山涉水路段，或者监测窗口期遭遇强对流天气影响时，卫星监测信号反映出的对流层延迟尤为显著。因此，在利用高分三号卫星雷达遥感技术进行公路路基路面病害隐患监测时，合理选择监测窗口期、有效调整观测角度、最大限度降低大气电离区域对卫星监测的干扰至关重要。大气延迟对卫星遙感的影响较大，利用通用型卫星雷达大气改正系统可显著减弱干涉影像的大气信号，提高路基路面病害缓慢运动的监测质量。

3.3 斜视成像几何畸变

针对成像几何带来的阴影和叠掩问题，可采用以下2种方式来应对：

（1）在中等分辨率雷达影像，利用数字高程模型可提前量化分析路基路面几何畸变引发的病害监测;高分辨率雷达影像，利用机器学习方法自动生成病害变化预判信息，从而大幅度提高数据处理效率。（2）公路路基路面病害横纵向、高程形变测量精度，在一定程度上取决于公路病害监测路段点、线、面所处的地形地貌特征的准确性判断。当地形地貌起伏较大时，公路线性在短距离、较短高程区间内发生较大的复杂性变化时，若时间、空间上需要观测的基线较长、面较广、沿线地物地貌干扰较大时，则成像几何带来的阴影、叠掩和不连续性更为明显，所以必须要确保数据的空间尺度统一。针对公路沿线高边坡地形相位引起的解缠误差，可通过基线线性组合法交叉监测予以判断。

4 高新技术应用展望

目前，中国和个别发达国家研制并部分发射的新一代卫星影像质量得到了显著提高，在研卫星科技水平会越来越先进，成像技术会带来经济社会整体发生质的飞跃，多平台卫星数据相互补充，或许能够在一定程度上解决干涉去相干与几何畸变的问题。干线公路建、管、养等各个单位的专业技术人员和养护工作者都将可能成为终端用户。

对于公路路基路面病害的监测，需要运用多技术手段才能最大程度地保障人民的生命财产安全，西部地区相关专业应用型人才的培养也至关重要。为实现国省干线公路“畅、安、舒、美”的养护目标，尽快实现公路养护技术革新，满足公众日益增长的安全出行需要，亟需推广运用先进的公路病害监测技术、并结合现有传统工艺工法，通过搭载公路路基路面病害自动化监测系统平台，将我国高新科技应用，尽早推广到祖国西部广袤土地上的公路病害监测方面，并做好质量控制，以科技手段弥补人工、机械在公路养护中的不足，进一步提升公路突发事件应急处治能力和精细化养护水平。

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