| 项目基本内容 |
本项目是为 2016 年江苏省交通运输科技项(编号为 2016Y11)，以建立长江下游特
大型桥梁桥面高程基准数据获取与运营状态下桥面形变监测的融合技术研发和示范性
应用为研究目标。从优化和改进现有时序 InSAR 分析方法出发， 并结合苏通大桥桥面
变形监测的示范应用，开展了时序干涉雷达技术的散射机制、时序数据处理和运营状
态下特大型桥梁桥面变形监测示范应用等一系列关键技术研究， 取得了以下几方面的
研究成果：
（1） InSAR 数据预处理方法
在高精度的 InSAR 原始图像精确配准方法、对干涉图相干斑滤波方法和基线估计方
法的对比优化实验验证了： 充分利用引入辅助影像集间的空间关系的传递配准法在失相
干情况严重的情形下， 传递配准法借助外部信息， 可以获取更高精度的配准结果。 在相
干、 失相干和严重失相干的 3 种情形下，均应选用传递配准法；在 SAR 图像斑点噪声滤
波实验分析中，验证结果表明 Lee 滤波较 Gamma MAP、 Frost 滤波对抑制斑点噪声在均值
保持较好、有效视数中等、标准差与原始图像最接近程度方面的综合性能相对最好，在
抑制斑点噪声时应选用时序 Lee 滤波方法。对基线估计方法的对比验证结果表明基于小
波域的隐马尔可夫树(HMT)模型的 InSAR干涉图方法处理结果表明该方法既能抑噪声又能
保持分辨率的有效的方法， 基于 Kalman 滤波和配准参数的基线估计方法能够有效地估计
InSAR 基线， 适用于缺乏精确的卫星轨道数据和地面控制点时进行基线的精确估计条件。
（2）散射特性识别与相干目标提取方法
①针对桥梁结构的散射特征，结合永久散射体和分布式散射体散射特性服从不同统计
分布的特点， 在研究设计了 InSAR 图像提取出桥梁结构的 PS 点和 DS 点方法。从理论推
导分析与实验验证得出提取 PS点时选择振幅离差指数阈值法和时域相干系数阈值法以及- 2 -
在提取 DS 点时选择空间相干系数阈值法得到的结果优于其他常规方法。
②根据 SAR 图像的统计分布特征分析，对 N 维瑞利分布叠加模拟实验结果分析可知影
像数达到 30 景时，拒绝高斯分布假设的概率不足 15%，即存在 85%的概率接受高斯分布
假设。在用于时序 InSAR 处理技术时宜采用不少于 30 景有效 SAR 图像。
③设计的一种基于时序 SAR 图像统计分布的变化检测方法用于区分非相干目标以便
提取出桥梁结构的 DS 点，不仅准确性高，密度提高显著，从而可保证应用散射机理和相
干目标提取的结果能用于后续时序 InSAR 数据处理技术监测桥面变形信息。 采用所研究
的相干目标提取方法去除非稳定点， 在进行 DS 选取方法提取分布式散射体得到的点的密
度有显著提高。
（3） InSAR 时序形变监测的关键技术
在观测量平差、误差分离和时序过程解算中， PS 与 DS 点目标数据处理方法中相关干
涉组合选取、相干目标信号分解、时空相位解缠以及形变解算方法优化处理方面：
①通过公共主影像干涉对组合模式、 小基线集干涉对组合模式、 自由组合模式对比实
验分析，得出了自由组合模式在干涉对生成数量上的优越性，适合用于 InSAR 时序形变
监测技术。 PS 目标信号分解方法中设计了完整的 PS 网络模型构建、 PS 目标差分相位建
模与参数估计、 PS 目标差分相位建模与参数估计、 PS 目标网络线性形变的提取、 非线性
信号的分解的流程。
②通过对提出的 Goldstein 自适应干涉图滤波、经典 Goldstein 滤波和 HMT 滤波实验
对比， 提出的 Goldstein 自适应干涉图滤波在标准差、残差点数、残差减少量方面均明
显的提高，该方法适合应用于 DS 目标信号重构。
③ 在选择二维时序相位解缠和三维时序相位解缠的对比实验中得出三维时序相位解
缠中不出现跳变现象，保证能成功得到正确的变形量。在基于重新迭代加权最小二乘方
法与常规最小二乘方法更能削弱解缠误差实验对比得到提出的方法在序形变速率和时间
序列估计的影响方面具有较好的稳健性和减少计算误差的能力。
（4） 苏通大桥形变监测融合技术与示范性应用
①针对苏通大桥的时序 InSAR 数据处理技术中设计了 PS-InSAR 的数据处理流程和
DS-InSAR 的数据处理流程，对苏通大桥 InSAR 图像中的 PS 和 DS 散射体特征点进行提取，
能够将桥梁的桥面、斜拉索和护栏等金属结构、水体等从 InSAR 图像中有效地分离和提
取出来。- 3 -
②通过对时序 InSAR 数据技术过程中生成的强度图、相位图、相干图等中间成果的质
量分析和试验对比分析，说明设计的处理方法中所采用的自适应 Goldstein 滤波方法和
自适应基线估计方法将用于桥梁变形监测的 InSAR 原始图像中的含有的斑点噪声降低了
近 92%。
③通过对苏通大桥主桥桥面 9 个重要部位提取时序变形量进行桥面变形分析，得到变
形分析结果能够与传统桥面变形监测技术所获得的分析结果在数值和形式方面相一致；
根据 3m 分辨率的 InSAR 图像提取的 3m 间距的变形监测点的变形结果。
④通过 InSAR 变形监测技术与桥梁桥面高程基准转换方法相融合，可实现 InSAR 变形
监测技术获取雷达成像时刻的整座桥梁瞬时桥面高程和监测精度分析方法。与传统监测
技术结果的对比分析， InSAR 桥梁监测技术精度达到了传统的水准测量监测特大型桥梁桥
面的毫米级监测精度。
项目依托苏通大桥工程，根据工程实际应用需求，研发了长江下游大型跨径桥梁桥面
运营状态下的时序 InSAR 形变监测方法，取得了以下创新性成果：
（1）针对因桥梁散射体散射机制不同而导致后续数据处理信号混叠的问题，项目提
出基于 SAR 图像统计特征识别桥梁散射物理特性，将桥梁散射体区分为永久散射体和分
布式散射体两类目标，并结合时间相干信息分别解算，提高形变产品的精度和空间分辨
率。
（2）提出了运营状态下干涉雷达时序形变监测数据处理框架，根据统计同质像素选
取方法提高目标信噪比；采用非参数统计方法纠正相干性有偏估计；引入最小均方误差
估计去除强度观测斑点噪声；发展 Goldstein 自适应干涉图滤波去除相位随机误差。
（3）在采用外部数字高程模型去除地形相位贡献之后，提出的时空相位滤波方法去
除大气相位贡献，对每个观测分别建立时序观测模型，将匀速率和高程误差作为参数同
时进行解算，分离高程误差相位贡献；建立多项式模型去除因卫星姿态不同产生的长波
信号，分离轨道相位贡献。
（4）提出迭代重新加权的最小二乘方法解算桥面变形匀速率和时间序列位移量。
（5）在苏通大桥示范应用中，提出使用形变匀速率图和时间序列两种表达形式展示
桥面整体变形特征， 利用颜色和空间向量大小反映形变量的形式，客观合理反映了桥面
各结构的时空变形特征，观测空间分辨率可达 3m。- 4 -
本课题提出的基于快速分布式目标探测的时序雷达干涉测量方法和干涉图像第二类
统计 Goldstein 自适应滤波方法两种新算法的技术先进，发表于《地球物理学报》 和《测
绘学报》期刊，分别被 SCI 收录和 EI 收录。 研发的基于时序 InSAR 数据桥梁桥面变形
监测技术实质上是时序 InSAR 数据变形监测处理方法在桥梁变形监测方面一项重要的应
用研究。由于 InSAR 技术具备全天时、全天候、不受云雨干扰和高时空覆盖等优点，可
以在无人工干预的条件下无接触地对地表目标进行实时监测，应用研究用解决了运营状
态下长江下游大型桥梁桥面变形监测所面临的 3 个突出问题： ⑴在运营状态下进行监测
时，极大地增大了测量工作人员以及交通车辆的危险性。 ⑵由于近年来运营中交通流量
的逐年增加，使得传统的精密水准测量方法越来越难满足桥面变形测量的技术要求，降
低了传统测量监测方法的可靠性。 ⑶传统的水准监测技术和 GNSS 监测技术得到的成果
对认知长江下游特大型桥梁桥面运营状态下形变规律具有一定的局限性。
研发的基于时序 InSAR 数据桥梁桥面变形监测技术通过在苏通大桥桥面变形监测中
示范应用，达到了毫米级监测精度。与传统桥面监测技术相比，基于时序 InSAR 数据变
形监测技术在监测结果的精度、空间分辨率、监测周期、变形监测能力等方面具有明显
的优势。研发的新监测技术是替代传统的特大型桥梁桥面监测的一项重要革新技术，可
在现代特大型桥梁的桥面变形监测中广泛应用。
该课题2017年4月通过江苏省交通运输厅的验收。 |
