一种基于PSInSAR技术的道路破损评估方法

摘要

本发明公开了一种基于PSInSAR技术的道路破损评估方法，能够高效率、高质量监测道路，并根据PS值计算道路下沉、曲率变形值，对道路分类进行评估；避免了耗费大量的人力物力，本发明借助雷达卫星，通过多次重复对目标区域的测量，能够获取到道路精细、微小的形变，In SAR监测精度能够达到mm级，可以达到长距离、大范围的交通设施沉降监测的需求；卫星监测的范围广，整幅影像能够覆盖整个城区；速度快，人为干预少，本发明只需前期极少量人为干预，针对目标检测区域，能够快捷、高效、精准的实时出具道路风险评估报告。

说明书

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达干涉技术领域，特别是一种基于PSInSAR技术的道路破损评估方法。

背景技术

路面破损检测评估是道路养护的主要内容之一，随着我国社会经济的的快速发展，如此众多的汽车数量以及大幅增加的道路，对我国道路的维护管理是一种挑战。众所周知，由于沉降原因多数道路路面在使用过程中经常发生各式各样的破损，破损不仅影响路面的结构性能和结构承载力，也会影响路面的使用寿命。引起道路破损的因素很多，包括自然因素和建筑开发建设过程中人为因素。道路的工程地质条件、水文地质条件、土壤的物理性质、大气温度与地下水的季节性和周期性变化，及外部荷载是引起道路沉降的主要原因。因此，为了能够及时的提供舒适、安全、快捷的高水平道路服务，并且加强道路的通行安全和提髙通行效率，需要积极研发高效、实用的公路检测方法及评估模型，现在以及未来都有着广阔的应用前景。

对道路路面损坏状况进行评价是一项系统、复杂的数据处理及评估分析工作。评价方法的确定，既需要对目标路面进行实时监测，对道路受损的类型和严重程度进行分类，再建立具体的道路评估模型。道路破损识别技术大致分为三步：对采集到的目标区域图像的预处理，道路破损区域的分段提取，破损程度分类识别，最后对道路进行评估。现如今城乡道路数量众多，利用水准测量等传统测量方法进行监测，需要耗费大量的人力物力，并且传统测量无法对道路做出预期监测，成本较高，需要外业专业技术人员实地监测，工程量巨大，自动化程度低，需要人力全程参与，无法实时的对道路作出评估。

In SAR技术能够高效率、高质量监测道路，节省大量的人力、物力和时间，并为道路养护部门后期的方案制定提供科学的依据。In SAR技术能够得到同一目标区域不同时间的SAR图像，根据干涉图的相位值，得出两次成像中微波的路程差，从而计算出目标地区的地形、地貌以及表面的微小变化，精度达到毫米级。

In SAR监测道路有如下优点：

(1)精度高；

(2)监测范围广；

(3)自动化程度高；

基于此，本发明设计了一种基于PSInSAR技术的道路破损评估方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能够高效率、高质量监测道路，并根据PS值计算道路下沉、曲率变形值，对道路分类进行评估的基于PSInSAR技术的道路破损评估方法。

为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

一种基于PSInSAR技术的道路破损评估方法，包括以下步骤：

S1、挑选目标道路所在区域的若干个不同时间即t

S2、通过永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术PSInSAR对获得目标道路所在区域内SAR影像进行数据处理，获取所需要的目标道路的PS点；

S3、利用PS点的三维的坐标位置信息，对目标道路所在区域进行空间分等级的两次估计，并剔除奇异值较大的PS点；通过聚类后PS点的分布和数量信息判别目标道路所在区域内的目标道路的类型；利用道路矢量框对目标道路上的PS点进行框选，记录分类后目标道路中PS点的数量；再对该道路上的PS点高程进行聚类分析，剔除错误点，获取目标道路所在区域的地面高程；

S4、根据对SAR影像数据处理过后的信息，计算出目标道路的下沉值、目标道路的PS点的线性形变速率，来推断出目标道路的破损情况；

S5、对道路按不同类型及距离分段进行分析，根据步骤S4中目标道路的下沉值及目标道路的PS点的线性形变速率计算道路的形变情况，获取道路关键点的沉降曲线，挖掘时序沉降信息，线性形变速率以毫米每年的形式表示，负值代表下沉，正值代表抬升，并根据目标道路的PS点的线性形变速率按走向分别求取相邻目标道路的PS点的倾斜、n号点的曲率、n号点的水平变形值，根据现有公路和高速公路的允许地表变形值的规定值分段对目标道路的破损程度情况进行分析评价，如果超过规定值则需要去实地对道路进行整修。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

S21、通过永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术PSInSAR对获得目标道路所在区域内SAR影像进行主影像选取与配准、产生差分干涉图、PS点的选取、参数估计与相位解缠、去除大气相位，生成In SAR信息的数据库；

S22、对目标道路所覆盖区域的SAR影像集的相位和幅度信息进行统计并作分析，选取目标道路所在区域内强度稳定的PS点作为监测点，并在每个PS监测点上建立相位模型，通过多幅干涉图的相位值来反演毫米级的地表形变场。

进一步地，所述步骤S3中对目标道路所在区域进行空间分等级的两次估计包括：

第一次估计：计算出目标道路所在区域的PS数据后，输入初始一级子区域边长大小，划分出适合的一级子区域，在每个一级子区域内统计PS点的高程分布，统计结果会出现多个极大值点，选择数量占比超过阈值的前三个高程区间，这三个区间中值的最小值作为该一级子区域的估计高程，结合相关阈值，得到该一级子区域的高程值信度范围，根据此范围初筛地面PS点；

第二次估计：在一级子区域的基础上划分二级子区域，即目标道路内的区域，二级格网区域较小，随目标区域平整程度进行调整；使用一级子区域筛选出来的PS点高程进行曲面拟合，结合相关阈值，进一步筛选得到二级子区域内的PS点，二次筛选后的PS点高程均值则是该二级子区域内的目标道路的高程值。

进一步地，所述步骤S5中根据目标道路的PS点的线性形变速率按走向分别求取相邻目标道路的PS点的倾斜、n号点的曲率、n号点的水平变形值的具体步骤为：

在道路上分段求取变形参数对道路进行评估，并分段建立地表高程坐标系统(X

(1)n点的下沉：

式中：W

(2)相邻点间的倾斜：

式中：l

(3)n号点附近的曲率，即n-1号点至n+1号点之间的曲率：

式中：i

l

(4)n号点至n+1号点间的水平变形：

式中：

进一步地，所述曲面拟合的公式如下：

H＝Ax

式中：x，y分别表示该区域的WGS84UTM坐标，H表示该处高程，A、B、C、D、E、F为与之对应的系数。

进一步地，所述步骤S3中对目标道路所在区域进行空间分等级的两次估计还包括采用窗口滤波和克里金插值方法，对获取的二级子区域的地面高程值进行滤波处理。

与现有技术相比，本发明能够高效率、高质量监测道路，并根据PS值计算道路下沉、曲率变形值，对道路分类进行评估；避免了耗费大量的人力物力，本发明借助雷达卫星，通过多次重复对目标区域的测量，能够获取到道路精细、微小的形变，In SAR监测精度能够达到mm级，可以达到长距离、大范围的交通设施沉降监测的需求；卫星监测的范围广，整幅影像能够覆盖整个城区；速度快，人为干预少，本发明只需前期极少量人为干预，针对目标检测区域，能够快捷、高效、精准的实时出具道路风险评估报告。

附图说明

图1为本发明的基于PSInSAR技术的道路破损评估方法流程图。

图2为本发明道路风险评估流程图。

图3为本发明道路PS点计算变形值原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。

如图1所示，本实施例提供了一种基于PSInSAR技术的道路破损评估方法，包括以下步骤：

首先，挑选目标道路所在区域的若干个不同时间即t

其次，通过永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术PSInSAR对获得目标道路所在区域内SAR影像进行数据处理，获取所需要的目标道路的PS点；获取所需要的目标道路的PS点的具体步骤为：

通过永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术PSInSAR对获得目标道路所在区域内SAR影像进行主影像选取与配准、产生差分干涉图、PS点的选取、参数估计与相位解缠、去除大气相位，生成In SAR信息的数据库；

对目标道路所覆盖区域的SAR影像集的相位和幅度信息进行统计并作分析，选取目标道路所在区域内强度稳定的PS点作为监测点，并在每个PS监测点上建立相位模型，通过多幅干涉图的相位值来反演毫米级的地表形变场。

然后，利用PS点的三维的坐标位置信息，对目标道路所在区域进行空间分等级的两次估计，找出PS点数量为0的区域，这类区域没有观测信息，无法做出评价，而对于PS点数量大于0的区域范围，进行聚类处理，并剔除奇异值较大的PS点；通过聚类后PS点的分布和数量信息判别目标道路所在区域内的目标道路的类型；利用道路矢量框对目标道路上的PS点进行框选，记录分类后目标道路中PS点的数量；再对该道路上的PS点高程进行聚类分析，剔除错误点，获取目标道路所在区域的地面高程；

上述对目标道路所在区域进行空间分等级的两次估计分别为：

第一次估计：计算出目标道路所在区域的PS数据后，输入初始一级子区域边长大小，划分出适合的一级子区域，在每个一级子区域内统计PS点的高程分布，统计结果会出现多个极大值点，选择数量占比超过阈值的前三个高程区间，这三个区间中值的最小值作为该一级子区域的估计高程，结合相关阈值，得到该一级子区域的高程值信度范围，根据此范围初筛地面PS点；

第二次估计：在一级子区域的基础上划分二级子区域，即目标道路内的区域，二级格网区域较小，随目标区域平整程度进行调整；使用一级子区域筛选出来的PS点高程进行曲面拟合，曲面拟合的公式如下：

H＝Ax

式中：x，y分别表示该区域的WGS84UTM坐标，H表示该处高程，A、B、C、D、E、F为与之对应的系数；结合相关阈值，进一步筛选得到二级子区域内的PS点，二次筛选后的PS点高程均值则是该二级子区域内的目标道路的高程值，采用窗口滤波和克里金插值方法，对获取的二级子区域的地面高程值进行滤波处理。

再者，根据对SAR影像数据处理过后的信息，计算出目标道路的下沉值、目标道路的PS点的线性形变速率，来推断出目标道路的破损情况；

最后对道路按不同类型及距离分段进行分析，根据步骤S4中目标道路的下沉值及目标道路的PS点的线性形变速率计算道路的形变情况，获取道路关键点的沉降曲线，挖掘时序沉降信息，线性形变速率以毫米每年的形式表示，负值代表下沉，正值代表抬升，并根据目标道路的PS点的线性形变速率按走向分别求取相邻目标道路的PS点的倾斜、n号点的曲率、n号点的水平变形值，具体为：

在道路上分段求取变形参数对道路进行评估，并分段建立地表高程坐标系统(X

(1)n点的下沉：

式中：W

(2)相邻点间的倾斜：

式中：l

(3)n号点附近的曲率，即n-1号点至n+1号点之间的曲率：

式中：i

l

(4)n号点至n+1号点间的水平变形：

式中：

然后，根据表1所示的现有公路和高速公路的允许地表变形值的规定值分段对目标道路的破损程度情况进行分析评价，如果超过规定值则需要去实地对道路进行整修。

表1

传统的监测方法(如水准仪、全站仪)的监测虽然对目标点的监测数据结果较为准确，但是其覆盖范围十分有限。如果需要实时的监测数据，则需要在道路或地铁沿线布设监测设备，这样就需要大量的设备成本和维护成本。

通过与现有技术相比，本发明避免了耗费大量的人力物力，本发明借助雷达卫星，通过多次重复对目标区域的测量，能够获取到道路精细、微小的形变，In SAR监测精度能够达到mm级，可以达到长距离、大范围的交通设施沉降监测的需求；卫星监测的范围广，整幅影像能够覆盖整个城区；速度快，人为干预少，本发明只需前期极少量人为干预，针对目标检测区域，能够快捷、高效、精准的实时出具道路风险评估报告。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。