基于InSAR可用性的全球大跨径桥梁地质灾害风险评估方法研究

本刊推荐：为提升桥梁地质灾害风险评估的时效性，研究人员开展了融合星载雷达监测可用性的全球长跨桥梁风险评估研究。通过整合Sentinel-1卫星覆盖数据和MT-InSAR（多时序干涉合成孔径雷达）PS（永久散射体）预测技术，发现空间监测可将60%以上桥梁纳入监测范围，使高风险桥梁数量减少三分之一。该研究为发展中国家基础设施韧性提升提供了创新技术路径。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，桥梁作为交通网络的枢纽节点，正面临着日益增长的地质灾害威胁。然而传统的桥梁风险评估方法存在明显局限性——它们往往将结构脆弱性视为静态参数，忽略了结构状态随时间演变的动态特性。更令人担忧的是，当前的结构健康监测（Structural Health Monitoring，简称SHM）传感器由于成本高昂、安装复杂，仅覆盖不到20%的桥梁，且在发展中国家分布极不均衡。这种监测盲区使得许多地区难以实现联合国可持续发展目标（SDG）中关于提升基础设施韧性的要求。

面对这一挑战，由Dominika Malinowska领衔的国际研究团队在《Nature Communications》上发表了创新性研究成果。他们开发了一种将监测系统可用性纳入结构脆弱性评估的新框架，并对全球744座主跨超过150米的长跨桥梁进行了地质灾害风险分析。该研究的独特之处在于，首次量化评估了星载雷达技术作为桥梁补充监测方案的全球潜力。

研究方法上，团队整合了多源全球数据：采用全球滑坡灾害图和2040年沉降预测数据评估地质灾害；基于桥梁功能特性确定暴露度；通过桥梁结构特征（材料、类型、年龄等）计算基础结构脆弱性，并创新性地引入监测因子来修正时间维度上的不确定性。空间监测能力评估则通过Sentinel-1卫星覆盖数据和PS点密度预测实现，采用几何平均法综合灾害、暴露度和脆弱性三个维度计算最终风险值。

PS可用性与空间监测潜力

研究发现，超过半数的桥梁具有高或非常高的PS可用性，表明它们适合MT-InSAR监测。然而，Sentinel-1数据获取频率和轨道方向可用性存在显著差异：仅31%的桥梁能每6天获取双轨道数据，而近40%的桥梁每12天仅能获取单一飞行方向数据。综合评估后，仅21%的桥梁被归类为具有非常高的空间监测能力，但约60%的桥梁仍达到中等及以上监测水平。

桥梁特性与PS可用性关联分析

令人意外的是，桥梁材料与PS可用性无明显相关性，这可能源于钢和混凝土均具有良好的反射特性。悬索桥被证明是最不适合空间监测的桥型，其中央跨区PS可用性显著较低，这与其振动特性导致相干性丢失有关。桥梁方位角影响也不显著，东西走向桥梁因Sentinel-1非对称空间分辨率（距离方向约5米，方位方向约20米）而略有优势。

SHM与空间监测能力对比

分析显示，SHM传感器仅安装在约20%的桥梁上，且主要分布在亚洲、欧洲和中东等发达地区。相比之下，空间监测可为全球61%的桥梁提供观测能力，特别是在非洲和大洋洲等SHM覆盖空白区域优势明显。当两种监测方式结合时，仅119座桥梁完全无监测覆盖，376座无SHM传感器的桥梁可通过SAR技术进行观测。

结构脆弱性与监测分布

北美桥梁结构状况最差，近70%属于高或非常高脆弱性类别，非洲紧随其后。值得注意的是，当前SHM安装并未优先考虑结构脆弱性高的桥梁，而空间监测恰好可弥补这一缺陷，为大多数高脆弱性桥梁提供监测可能。

监测整合对风险评估的影响

仅考虑SHM时，全球超过20%的长跨桥梁处于极高风险状态。引入空间监测能力后，超过50座桥梁从极高风险降至高风险类别，剩余极高风险桥梁中约半数可通过任一种技术进行监测。全球平均区域风险降低超过4%，其中非洲、欧洲和中东地区风险降低最为显著。

研究结论与讨论

该研究首次将MT-InSAR监测可用性纳入风险评估框架，创造了能够反映结构脆弱性时间维度的动态评估方法。通过全球尺度分析，证实了Sentinel-1卫星星座的全球覆盖能力可显著弥补SHM监测的地理不平等问题，为发展中国家基础设施安全提供了经济有效的技术方案。

值得注意的是，Sentinel-1B卫星于2022年失效曾导致监测能力下降，直到2024年12月Sentinel-1C发射才恢复全面监测能力。这一插曲凸显了持续卫星数据流对长期监测的重要性。研究还发现，尽管悬索桥中央跨区监测存在挑战，但边缘段仍可提供有意义的墩台健康信息。

方法论上，研究采用的监测因子（f_monitoring）取值1-1.35，源自Eurocode-8和FEMA 356标准中用于量化知识不确定性的置信因子，虽经敏感性验证稳健，但未来可进一步细化不确定性传播量化。此外，研究存在数据粒度限制：OpenStreetMap数据可能不完整，部分地区桥梁样本偏少，且未考虑灾害间耦合效应。

尽管存在局限，该研究为基础设施资产管理提供了可操作的决策支持工具，使管理者能根据具体风险剖面优化遥感技术部署、SHM安装和现场检测计划。这种基于风险优先级的资源分配策略，特别有利于将注意力集中于灾害影响严重、结构条件差且失效会导致重大中断的桥梁，最终推动更安全、更具韧性的基础设施系统建设，为实现联合国可持续发展目标第9项（建设 resilient infrastructure）提供技术支撑。