利用集成InSAR、摄影测量和海底地形测量技术揭示风暴引发的防波堤故障

《Regional Studies in Marine Science》：Uncovering Storm-Induced Breakwater Failure Using Integrated InSAR, Photogrammetry and Bathymetry

　　

摘要

港口是海上运输的关键基础设施，防波堤系统在确保运营安全性和结构韧性方面发挥着重要作用。防波堤的设计必须充分考虑当地波浪条件和长期环境因素；然而，超过设计极限可能会导致严重的结构损坏和功能失效。本研究利用综合测绘框架，调查了2018年1月18日风暴事件对位于黑海西岸的?atala?z?港口主要和次要防波堤造成的破坏。为了全面评估事件前的变形情况、事件中的破坏机制以及修复后的结构表现，采用了包括InSAR、水深测量和摄影测量在内的多传感器技术。通过基于场景的分析，阐明了观察到的破坏的根本原因。为了监测事件前后防波堤变形的时间变化，使用MintPy进行了InSAR时间序列分析，研究了防波堤结构的东向和垂直变形。通过声学探测对港口内的海底损坏进行了表征，而防波堤的结构变形则通过高分辨率摄影测量得到了解决。多源点云的集成产生了受损系统的统一三维表示，并与原始设计截面进行了系统比较，以支持工程修订分析。结果表明，多传感器框架可以量化结构变形，并确定破坏的时间和性质。本研究结合了卫星、航空和水下观测数据，提出了一种用于监测港口等工程结构变形的全面且可迁移的方法。研究结果直接为防波堤的工程设计提供了依据，使防波堤的波峰高度从+3米提高到了+8米，从而显著提升了港口抵御极端波浪条件的能力。

节选

引言

沿海结构的设计需要评估其在环境荷载下的结构可靠性和风险，通常采用基于性能和液压的设计方法，这些方法会考虑风暴等极端事件（PIANC, 2014; OCDI, 2009; CERC, 2003; Mangor, 2004; Yüksel and ?zkan ?evik, 2010）。液压设计进一步涉及通过波浪变换过程来表征波浪的特性，如高度、周期和方向，同时考虑海底地形。

研究区域

?atala?z?港口位于土耳其的Zonguldak。该港口的建设目的是为该地区的火力发电厂提供煤炭运输。港口航道的入口朝西，港内吃水深度为20米。该港口专为超大型船只设计建造，主要防波堤长1230米，建设中使用了38吨四脚架材料；次要防波堤长710米，使用了24吨四脚架材料。

InSAR时间序列分析

港口防波堤是沿海结构中最关键的组成部分之一，它们会随着时间的推移因波浪、水流和地面条件而发生变形。及早检测这些变形对于确保结构安全和降低维护修复成本至关重要。本研究使用基于卫星的合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术，评估了港口防波堤的东向和垂直变形。

InSAR时间序列结果

我们使用MintPy进行了InSAR时间序列分析，生成了风暴前后的视线上升（LOS）位移图以及相应的东向和垂直变形图。Sentinel-1卫星从西-西南方向（航向约-14°）进行上升飞行观测，从东-东南方向（航向约-166°）进行下降飞行观测。这两个观测方向都接近主防波堤的轴线。

结论

本研究采用包括摄影测量、水深测量和InSAR时间序列分析在内的综合多传感器方法，研究了风暴对港口防波堤的破坏。通过合并摄影测量和水深测量数据集，生成了详细且完整的地形模型，从而能够识别水上和水下部分的变形模式。所得模型与典型的防波堤破坏模式高度一致。

伦理审批和参与同意

不适用

资助

不适用

CRediT作者贡献声明

Kurtulus Sedar Gormus：负责写作、审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化制作、方法论制定和概念构思。Sevki Unal：负责软件开发和数据整理。

在准备本稿时，作者使用了Claude（Anthropic）工具来提升语言表达和可读性。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审核和编辑，并对出版物的内容负全责。

作者声明他们没有已知的会影响到本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢Zonguldak Bulent Ecevit大学地理信息工程系的Assoc. Prof. Dr. Caglar Bayik在遥感方面的支持。

不适用

不适用

K.S.G.和S.U.设计了实验；K.S.G.和S.U.执行了实验；K.S.G.和S.U.分析了数据；K.S.G.和S.U.共同完成了分析和可视化工作；K.S.G.和S.U.撰写了论文。

Kurtulus Sedar Gormus|Sevki Unal