数智之“眼”——桥隧工程测绘遥感技术发展
数智之“眼”——桥隧工程测绘遥感技术发展
桥梁和隧道是交通网络的重要组成部分，对于提升交通网络整体效能具有重要作用。现代桥隧建设、管理、养护面临的环境和条件日益复杂，一方面，新建桥隧工程不断向困难复杂地区转移，跨海跨江、山区特长隧道建设难度大、技术要求高；另一方面，桥隧安全运营保障难度越来越大，随着困难复杂地区桥隧数量的增多以及桥隧老龄化的到来，日益多发的桥隧病害和地质灾害严重威胁着桥隧的运营安全。提升桥隧交通基础设施建设水平，保障桥隧安全和可靠性迫在眉睫。
当前，随着新一轮科技革命和产业变革深入推进，各类新型测绘遥感技术不断涌现，为桥隧工程全生命期提供有力的技术支撑。高分卫星遥感、北斗导航定位、SAR卫星等技术为桥隧工程建设大范围地形测绘、地质勘察、形变监测提供了解决方法；无人机勘察、航空摄影等技术极大丰富了病害检测的技术方法；毫米波雷达、车载/地面激光扫描、测量机器人等实现桥隧微小形变测量，精度达到毫米级甚至亚毫米级；水平定向钻、数字勘探、声呐等技术突破了深部、水下测量困难的技术难题。
测绘遥感技术与桥隧工程建设深度融合，有效解决了桥隧工程勘察、监测、检测的质量与效率，赋能桥隧工程强国建设。
北斗导航定位技术
2020年北斗三号全球卫星导航系统正式建成开通，全球范围内提供全天候、全天时提供高精度、高可靠服务，具备定位/导航/授时、星基增强、地基增强、精密单点定位、短报文通信和国际搜救等多种服务能力进一步增强。北斗导航定位技术已广泛应用于桥隧工程勘察、设计、施工、管理、养护。
北斗导航定位系统广泛用于各等级精密控制测量。采用多频段信号传输技术有效降低了电离层延迟对定位精度的影响，提高了定位的准确性和稳定性。在亚太地区，北斗导航定位系统的定位精度甚至超过了美国GPS系统，为桥隧工程控制测量提供了更可靠的数据支持。
针对困难复杂地区远距离高程基准传递难题，采用基于GNSS水准测量和重力场模型的高程传递方法，可构建1cm级精度的区域似大地水准面模型，快速精确测定任意测量点的高程，为跨海大桥、山区特长隧道的设计、施工、运营提供长久可靠的高精度基础数据。
采用北斗卫星导航系统对桥梁进行实时测量，形变监测精度可达毫米级。通过布设北斗监测站与无线传感器等设备，构建基于北斗定位与多种监测传感器协同的桥梁健康监测系统，结合桥梁动力学理论，实现对桥梁结构模态参数识别、损伤定位与状态评估。
卫星遥感技术
随着三多（多平台、多角度、多传感器）、三高（高空间分辨率、高时相分辨率、高光谱分辨率）卫星遥感技术发展迅猛，其在桥隧工程中展现出强大的应用潜力，极大丰富了桥隧全生命周期信息获取渠道。不同遥感技术手段具有各自独特的技术优势和适用范围，形成了基于高分光学、多光谱、热红外、SAR等多模态、长时序遥感数据融合的桥隧工程测绘遥感技术。
卫星图像可以测绘全球任何地点的高精度三维信息。利用高分卫星图像构建有理函数模型，在仅需少量地面控制点的条件下即可实现困难复杂地区1∶2000比例尺3D产品生产；结合地质学、地貌学等专业知识，运用遥感地学综合分析方法，使得大范围地形、地貌、地质构造等关键信息得以精准捕捉，助力桥隧工程科学选线与优化设计；星载InSAR技术能实现全天候、全天时地表微小形变测量，精度达到厘米级甚至毫米级，显著提升桥隧工程大范围地质灾害遥感勘察的准确性。
图1 卫星遥感技术的应用
无人机勘察与机器视觉
无人机勘察具备高分辨率、高灵活性、作业成本低、安全性强等特点，能便捷搭载各类传感设备，深入复杂区域作业，且能实时传输数据，减少人力投入和安全风险，广泛应用于桥隧工程勘察与监测、检测，展现出强大的应用潜力和价值。
以无人机为平台，搭载高像素相机+AI边缘计算病害识别系统，构建无人机桥隧智能检测系统，可实现数据采集、病害检测、三维建图、参数量化、病害定位以及模型分析全流程智能化应用。
无人机形变监测是一种灵活、便利、实时的监测手段。通过在目标对象上布设标靶点，无人机依据规划航线自主飞行。自动采集图像数据，并经过图像处理，最终实现高精度形变测量，精度可达mm级，实现隧道洞口、高边坡低成本、高精度形变监测。
图2 无人机边坡变形监测
机器视觉非接触式位移监测技术，通过高精度相机捕捉待测结构物上的靶标图像视频流，经过边缘计算机内置的动位移解算程序取帧解算，将采集图像中靶标的像素位移换算为实际位移，实现对桥梁结构位移的超高精度非接触式实时测量，精度可达0.05mm。
三维激光扫描
激光扫描测量技术是一种全新的空间信息获取手段，集成了激光测距、惯性导航系统、全球卫星导航系统等先进技术，具有数据精度高、采集密度高、搭载平台多样、人工作业量少、受天气干扰少、克服植被影响、应用范围广等优点，已广泛应用于桥隧工程勘察设计、施工控制、运营管理。
三维激光扫描系统可灵活便捷搭载在飞机、无人机、汽车等平台，地面静态或便携式移动平台，实施扫描测量，在地势复杂、地形破碎、植被密集的山区环境中可以发挥较大优势。基于激光点云数据和高分辨率图像可快速生产4D产品，精确获取地面信息，完成地形测绘、断面测量、实景建模，极大的缩短勘测设计周期，降低勘测成本。
通过周期性对桥隧工程区域进行三维激光扫描，获取工程施工现场激光点云数据和影像资料进行三维实景建模，直观展示在建工程的进度和环境变迁信息，实现工程建设过程的实景快照与存档，进行桥隧工程施工状态、土方量、边坡防护等方面量化分析与评估。
采用移动三维激光扫描技术，融合高精度惯导、里程计等传感器等数据，生成可量测的、带里程信息的高清灰度影像图，可准确识别隧道衬砌裂缝、渗漏水、衬砌剥落等常见病害，分析隧道管片变形、错台等。
数字勘探
数字勘探是一种集成了现代数字化技术的勘探方法，可实时对地质信息进行精准探测和分析，实现勘探过程和勘探成果数字化。
隧道水平定向钻技术具有钻孔轨迹可控、全破碎钻进、在隧道轴线上钻进，获取连续的隧道围岩信息等特点，可安装无缆存储式钻孔摄像仪，对全孔进行摄像，清楚分辨出岩性变化位置、裂隙发育程度、出水点位置，并在成孔后，利用自主研发的综合地球物理测试装备开展了测试工作，可测参数包括岩体纵波波速、放射性、电阻率、温度、地应力及孔径参数等，为数字化勘察设计提供了大量的原位数据。
图3 水平定向钻钻机、钻杆与智能传感器
水下测量与检测
水下地形测量与结构检测是桥梁建设中的技术难点，一直存在测量精度低、人员和设备难以到达待检测结构部位、检测效果不理想的问题。
针对水下地形测量，采用GNSS RTK+多波束水下地形测量技术，一次测量即可得到垂直于航迹方向的几百甚至上千个水深点，能快速生成等高线图、断面图、点云等数据成果，在浅水区域或危险水域，大幅提高作业效率和安全性。
针对桥梁水中结构病害检测，基于声光融合技术的桥梁水中结构智能检测系统，融合三维成像声纳技术和光学技术，实现了水下结构的实测光学数据和声学数据信融合，提高了检测精度和可靠性，能够直观的反映桥梁水中结构病害，实现桥梁水中结构病害“看得到，看得清，看得懂，可定位，可分析，可评价”，为大型桥梁水下结构安全性评估、寿命预报及养护策略制定提供了数据和技术支撑。
图4 桥梁工程水下测量与检测
工程创新实践
沌口长江大桥
沌口长江大桥是中国湖北省武汉市境内连接蔡甸区与江夏区的过江通道，是武汉市四环线的重要组成部分，被评为全国首届“十大最美桥梁”。其线路全长8.599km，其中跨江桥梁工程部分长度为3.220km，主桥主跨全长760m，采用(100+275+760+275+100)m的跨径布置。测绘遥感技术的应用贯穿桥梁勘察设计、施工、运营、管理全过程。
项目采用三维激光扫描与多波束水下测量的融合，完成陆面、水下地形数据的精确获取。水下地形图测绘的平面和高程坐标系统、等高距与本测区陆上地形图保持一致。
针对沌口长江大桥施工监测，项目先后进行25期不同时间序列大桥施工建设区域无人机遥感数据的采集和处理，生成工程平面影像图、数字三维模型、全景影像和全景视频等多种数据。同时将无人机多源遥感数据接入沌口长江大桥施工管理平台，实现数据高度共享和集成应用，为施工管理系统提供多时期、高分辨率、多形式的施工现场监测数据。
图5 多期无人机全景影像对比
针对桥梁运营阶段病害检测，项目采用自主研发无人机桥梁智能检测系统，系统搭载了高像素相机+AI边缘计算病害识别系统，实现数据采集、病害检测、三维建图、参数量化、病害定位以及模型分析全流程智能化应用。可自动实时识别桥梁上的微小病害（裂缝、破损、锈胀），识别率达90%以上，识别裂缝测宽精度小于0.1mm，满足一般桥梁检测的精度需要。
图6 无人机病害检测
天山胜利隧道
G0711乌鲁木齐至尉犁高速公路是交通运输部平安百年品质工程首创示范项目和新疆维吾尔自治区、中交集团“交通强国”试点项目。
项目起自乌鲁木齐绕城高速（西线）的西山南互通立交，止于尉犁县东侧琼库勒村，全长319.719km。
天山胜利隧道是乌鲁木齐至尉犁高速公路的控制性工程。该隧道穿越天山山脉，全长约22km，海拔高、气候条件恶劣，是目前世界最长高速公路隧道。
项目应用了多项测绘遥感技术，解决了困难复杂地区地形地质数据获取难题。
针对常规地面地质勘察作业难以开展的问题，项目采用高分卫星遥感技术探明隧道所在地区的雪崩、冰崩、滑坡、泥石流等灾害地质、不良地质分布情况、影响范围及规模大小，评价其危害程度，编制完成1∶5,000比例尺工程地质遥感勘察专题图件。
项目采用北斗导航定位技术完成了全线基础控制测量，融合采用机载、地面三维激光扫描测量技术获取公路带状区域内的高精度三维激光点云数据，获取的激光点云密度大于16点/m2，高程精度优于10cm，实现地形信息的完整提取。
为探明隧道进口1.9km处的活动性断裂（博阿断裂），在隧道施工之前，在右洞开展了水平定向钻勘察，孔径250mm，终孔长度2271m。通过水平钻定点取芯和钻孔摄像，探明了博阿断裂的准确位置和影响范围（图7a），通过量测钻孔涌水和观测孔内出水点位置及裂隙情况（图7b），精准预测了隧道涌水量。
图7 水平定向钻勘察
天山胜利隧道的2-1号通风竖井，采用最新的竖向TBM施工工艺，施工直径11.4m，井深达700m，是目前世界上最深的高速公路竖井。作为首次采用竖向TBM开挖技术的竖井，需要精准掌握不同地层涌水量等水文参数，控制竖井施工涌突水风险。在高寒高海拔地区开展700深孔抽水试验，国内尚无先例。钻孔位于沟谷中，堆积体厚，且存在季节性冻土和多年冻土，成孔困难。为针对性解决上述难点，项目采用正循环环保泥浆护壁钻进工艺，完成了钻探成孔，通过开展场地试验、结合水化学分析、综合测井和井内电视，并在井内布设4个高精度、高频率、多参数传感器进行不同层位水位、温度和盐分信息的无线监测，继而构建新的抽水试验三维地质结构模型，反演水文地质参数，分析确定地下水补径排关系，查明了竖井段的地下水类型、富水性和分布规律，预测了竖井不同层位涌水量，为竖向TBM顺利施工提供有力技术支撑。
北斗导航定位、高分卫星遥感、无人机勘察、数字勘探等测绘遥感技术深度融合公路桥隧工程勘察、设计、施工、运营、维护，显著提升了数据采集的效率、精度和安全性，推动了数据处理自动化和智能化，极大促进了桥隧工程的数字化转型，助力建设交通强国，推动公路交通建设高质量、可持续发展。
桥隧工程天-空-地-深数字化、智慧化、协同化测绘遥感技术的迅猛发展，必将提升新型公路基础设施建设的数字化、智能化水平。
展望未来，桥隧工程测绘遥感技术发展重点主要包括：
（1）天-空-地-深智能化协同的数字测绘遥感技术，赋能桥隧工程勘察、优化设计、施工监控、结构诊断、状态评估、预测预警。
（2）多源协同的公路测绘遥感实现全球任何区域的多尺度、多层次、高精度的三维信息实时获取，为公路桥隧工程全生命周期提供数字底座。
（3）多样化、智能化无人机遥感，为桥隧工程建设、运营养护、应急保障等提供高效、精准、丰富数据信息，为科学管理与决策服务。
（4）集成化、智能化水平定向钻与孔内探测技术，做到一孔多用，沿线感知，实现隧道工程高精度深部信息的快速、准确勘察。
（5）雷达、声波探测技术的应用，可精确探明桥隧工程隐蔽病害，支撑桥隧工程结构安全评估与预警。
本文原文来自《桥梁》杂志