應用時間序列InSAR技術監(jiān)測上海磁懸浮列車專線形變

蔣亞楠，楊夢詩，廖明生，王寒梅

（1. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430079；2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海 200072；3. 上海市地質調查研究院，上海 200072）

應用時間序列InSAR技術監(jiān)測上海磁懸浮列車專線形變

蔣亞楠1，楊夢詩1，廖明生1，王寒梅2,3

（1. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430079；
2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海 200072；3. 上海市地質調查研究院，上海 200072）

新一代高分辨率、短重訪周期SAR衛(wèi)星的發(fā)射運行，使得InSAR技術不僅能滿足大范圍地表沉降監(jiān)測的數(shù)據(jù)需求，還可以監(jiān)測到大型人工線狀地物的形變，使得對短周期微小形變的監(jiān)測和預警成為可能。本文以上海市在運營的磁懸浮列車專線為研究對象，利用時間序列分析方法對2011年9月～2012年10月期間的15景TerraSAR-X數(shù)據(jù)進行了處理和分析，實驗結果表明高分辨率SAR數(shù)據(jù)可以用于公共交通設施微小形變的監(jiān)測，在公共安全領域具有廣闊的應用前景。

磁懸浮列車專線；形變監(jiān)測；高分辨率SAR影像；時間序列分析技術

上海是受地面沉降影響最大的城市之一。地面沉降是城市地區(qū)的主要地質災害，具有不可逆和累加的特點，其影響范圍和發(fā)展速度在不同空間、時間上具有較大的差異性[1]。地面沉降的空間差異會造成地表以上人工地物的不均勻沉降，直接影響到大型單體建筑物、城市軌道交通、磁浮列車等大型線狀工程的運營安全。因此，在上海市開展定期的形變監(jiān)測對確保重大工程和基礎設施建設安全具有重要意義。

1961年以來，上海市逐步興建地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡。迄今為止，上海地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡已基本建成，主要由地面沉降水準監(jiān)測網(wǎng)、GPS地面沉降監(jiān)測網(wǎng)、沉降監(jiān)測站以及水位動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)幾部分組成[2]。然而，這些測量手段受限于人力、物力的投入太大，使得形變監(jiān)測點的密度很低，難以滿足交通路網(wǎng)這種長達數(shù)十至上百千米的大型線狀地物的監(jiān)測要求。

相對于常規(guī)的形變監(jiān)測手段，雷達差分干涉測量（D-InSAR）具有監(jiān)測范圍大、空間分辨率高、重復周期穩(wěn)定等優(yōu)勢，且其觀測精度理論上可達到厘米級[3]。意大利米蘭理工大學的學者A. Ferretti, C. Prati和F. Rocca等人提出了永久散射體技術（PS-InSAR）[4,5]，克服了傳統(tǒng)D-InSAR技術實施過程中的時間、空間去相關和大氣效應等問題。該技術的研究目標集中在長時間序列中保持高相干的點目標上[6,7]，并且其理論觀測精度可達到毫米級。近年來，利用PS-InSAR方法監(jiān)測地面沉降已取得了豐富的研究成果，在上海、天津、廣州等地得到與實測沉降趨勢相符的結果，達到了獲得毫米級地表形變信息的能力，從而證實了該方法的應用潛力[6～8]。

隨著新一代高分辨率雷達衛(wèi)星的出現(xiàn)，PS-InSAR技術監(jiān)測地表形變的優(yōu)勢更突出。以TerraSAR-X衛(wèi)星為例，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三個方面：（1）分辨率的顯著提高，使得落到單體建筑或者交通網(wǎng)絡上的PS點數(shù)量大大增加，很大程度上提高了大型人工地物形變監(jiān)測可能性和準確性；（2）重訪周期的大大縮短，不僅使得短期形變的監(jiān)測成為可能，而且可以給出更為細致的形變變化規(guī)律，更能反應出短期內建筑物或者線狀地物的運營狀況；（3）X波段進行影像數(shù)據(jù)獲取，其形變監(jiān)測精度C波段和L波段更高，對發(fā)現(xiàn)短期內的地表微小形變更為有效。因此，高分辨率SAR衛(wèi)星不僅能滿足大范圍地表沉降監(jiān)測的數(shù)據(jù)需求，還可以檢測到主要交通網(wǎng)絡上的形變，使得對短周期微小形變的監(jiān)測成為可能。

城市公共交通網(wǎng)絡，包括地鐵、公路、鐵路、磁懸浮列車等，是城市大容量、大眾化公共客運交通的主要力量，對城市的發(fā)展和城市建設起著積極的促進和引導作用。然而，由于公共交通運輸乘客人員密度較大、流量多，一旦發(fā)生事故，后果不堪設想。近些年來，公共交通運輸?shù)臑暮栴}也愈來愈引起人們的重視。安全運營是城市交通系統(tǒng)的生命線，加強城市公共交通網(wǎng)絡的形變監(jiān)測研究，對保障城市交通運輸安全運營以及乘客人身安全至關重要。

本文以上海市磁懸浮列車專線為例，采用高分辨率TerraSAR-X數(shù)據(jù)進行永久散射體技術（PS-InSAR）研究，目的是為了提取磁懸浮軌道的形變速率，進而驗證TerraSAR-X高分辨率數(shù)據(jù)在永久散射體沉降監(jiān)測應用中存在的優(yōu)點及不足，并針對這些問題進行探討。

1 原理與方法

PS-InSAR技術本質上是一種時間序列D-InSAR分析技術。首先，利用多景覆蓋同一地區(qū)的SAR影像集，統(tǒng)計分析影像中相位和幅度信息，查找不受時間、空間基線去相關和大氣相位屏影響的點目標作為PS點，如人工建筑、裸露的巖石、人工布設的角反射等。這些點目標幾何尺寸通常小于影像分辨單元，而且散射特性比較穩(wěn)定，在長時間序列中表現(xiàn)出很好的相干性。利用這些離散的PS點，可以獲得可靠的相位信息，進而反演出亞米級精度的DEM 和進行毫米級地表形變探測。

該技術處理主要包括四個部分：時序差分干涉圖的生成、PS點的探測、PS提取和形變速率估算，并在此基礎上對形變結果進行時間序列分析。

1.1 時序差分干涉圖的生成

依據(jù)總體相干性指標最大的原則，選擇15景TerraSAR 數(shù)據(jù)集中的一景數(shù)據(jù)作為主影像，并與其它SAR影像進行干涉處理，得到干涉圖集。然后利用外部輔助的DEM 去除地形相位的貢獻，得到時間序列上的差分干涉圖集。

1.2 PS點的探測

為了進行永久散射體干涉處理，首先要在長時間序列SAR 圖像上識別出相位穩(wěn)定的散射點。上海磁懸浮高架軌道采用鋼質和混凝土等硬質結構，可以在長時間序列上的SAR影像上中保持較高的相干性。本文利用SAR影像的振幅離差指數(shù)來確定永久散射體候選點（PSC），用幅度的穩(wěn)定性近似表達相位的穩(wěn)定性。

1.3 PS提取

計算時間相干系數(shù)并結合統(tǒng)計分析，從PSC中迭代篩選出點目標，剔除只在部分干涉圖中保持穩(wěn)定的點目標以及臨近PS點的旁瓣點目標。

1.4 形變量估算

確定PS點后，緊接著對相位進行三維時空解纏，解纏后的相位通過最小二乘法估計出地形誤差相位，利用濾波去除出大氣相位，最終分離出形變相位。繼而恢復出形變相位，求解地表形變速率。得到形變速率估計值沿雷達視線方向，將其沿垂直于地面的方向進行投影，即得到垂直于地面方向的速率分量——地面沉降速率。

高分辨率雷達衛(wèi)星的出現(xiàn)，使得大型公共交通設施在影像上清晰可見，為利用PS-InSAR技術檢測主要交通路線的形變提供了必要條件。本文旨在將高分辨率的TerraSAR-X數(shù)據(jù)用于磁懸浮列車軌道形變速率的提取，并在此基礎上利用時間序列分析方法對結果進行分析和討論。

2 實驗及結果分析

2.1 研究區(qū)域及實驗數(shù)據(jù)

上海磁懸浮工程是世界上正式投入商業(yè)運營的運行速度最快的專線列車。該線路西起上海地鐵2號線的龍陽路站，東至上海浦東國際機場，全長約30 km，采用高架形式[9]（圖1）。與輪軌高速列車相比，磁懸浮列車運行速度更快速、更平穩(wěn)[10]。

本文實驗數(shù)據(jù)為15景條帶模式的TerraSAR-X衛(wèi)星數(shù)據(jù)（表1），分辨率為3m，時間跨度為2011年9月到2012 年10月，覆蓋范圍如圖2所示。利用總體相干性最大指標，選擇2011年12月2日的影像為主影像，其他圖像與其進行干涉處理，干涉的時間和空間基線如圖3所示。外部輔助DEM選取SRTM (Shuttle Radar Topography Mission)的3弧秒分辨率的DEM，用于地表形變檢測方法的地形相位去除。

圖1 上海磁懸浮列車運營實景Fig.1 The actual of Shanghai maglev train

表1 SAR數(shù)據(jù)集Table 1 The experimental SAR dataset

圖2 TerraSAR-X衛(wèi)星數(shù)據(jù)空間覆蓋范圍Fig.2 The coverage of the TerraSAR-X image

圖3 主從影像的時空基線分布Fig.3 Time and space baselines of the interferogram

2.2 磁懸浮列車專線形變監(jiān)測結果

由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)分辨率的提高，保證了沿磁懸浮列車專線有大量穩(wěn)定點目標用于形變的提取與分析。如圖4所示，整條線路的年形變速率分布在-10～8mm/a之間，形變呈現(xiàn)出明顯的不均勻性。整體上，靠近浦東機場路段變形明顯，并在圖中橢圓所標注的區(qū)域形變量達到最大；之后往西段延伸，下沉趨勢減弱，抬升趨勢出現(xiàn)。

圖4 磁懸浮專線形變提取結果Fig.4 The deformation of the maglev train (mm/year)

在此基礎上，選取一相干性為0.9172的點目標進行時間序列分析。

由于TerraSAR-X衛(wèi)星的重訪周期為11天，相比于Envisat ASAR衛(wèi)星（35天）和ALOS PALSAR衛(wèi)星（46天）分別縮短了24天和35天。因此，在半年到一年內便可以收集到足夠的TerraSAR-X衛(wèi)星影像用于形變監(jiān)測與分析。另一方面，TerraSAR-X衛(wèi)星影像獲取周期的縮短，保證了形變監(jiān)測采樣間隔的縮小，因此得到的變化趨勢更為細致（圖5）。

圖5 形變的時間序列分析Fig.5 Time series analysis of selected PS point

本文所使用數(shù)據(jù)時間跨度約為一年。如圖5所示，隨著時間的推移，該點形變由小幅度震蕩緩慢到達第一個最大抬升處，隨后又一小幅度的變化，這一階段為相對穩(wěn)定狀態(tài)，沉降量不超過2mm。接著以較大的幅度開始震蕩，并迅速下沉至最大值沉降處，這一階段屬于加速下沉階段，相對沉降超過5mm。最后以較大程度的反彈，步入新的震蕩下沉階段，此時沉降量已超過5mm。

根據(jù)以上實驗結果可知，空間差異性形變是磁懸浮專線形變的一大特點。對于大型線狀地物而言，空間差異較大的形變，會對線狀工程安全運營產(chǎn)生重要影響。另一方面，沿線形變模式或者形變量發(fā)生較大變化的區(qū)域，如上升區(qū)域與下沉區(qū)域分界處、穩(wěn)定區(qū)域與形變區(qū)域分界處，是災害隱患發(fā)生可能性最大的區(qū)域。因此，定期的形變監(jiān)測對確保這些人工地物的安全使用具有重大意義，尤其是對形變速率變化較大以及形變速率較大的區(qū)域，需要進行重點監(jiān)測。

3 結語

PS-InSAR技術是檢測地表形變的有效方法之一。本文利用3 m分辨率的TerraSAR-X數(shù)據(jù)完成了2011年9月至2012年10月期間上海磁懸浮列車專線的形變信息提取工作。本文的研究表明，由于新一代星載SAR系統(tǒng)具有高分辨率、短重訪周期的優(yōu)點，在經(jīng)過時間序列InSAR技術處理和分析后，可以為地表形變監(jiān)測提供更多的形變細節(jié)，使得短周期微小形變監(jiān)測成為可能，適用于重大工程的短期快速形變監(jiān)測，并在公共設施安全領域具有廣闊的應用發(fā)展前景。

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Deformation monitoring of the Shanghai Maglev system based on the time-series analysis of InSAR data

JIANG Ya-Nan1, YANG Meng-Shi1, LIAO Ming-Sheng1, WANG Han-Mei2,3
(1. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention, Ministry of Land and Resources of China, Shanghai 200072, China; 3. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China)

The recently available high-resolution, short revisit-cycle, radar satellite data can not only be used to monitor land subsidence over large areas, but also to provide information regarding the deformation of large buildings and the transportation network; it has also made short-term small-scale deformation monitoring possible. In this paper, time-series analysis of InSAR data is carried out to detect deformation of the Shanghai Maglev track. The dataset of 15 TerraSAR-X images was acquired between September 2011 and October 2012. Experimental results show that high-resolution SAR data may be suitable for operational monitoring of deformation affecting public infrastructure.

maglev train; deformation monitoring; time series analysis; high-resolution SAR images

P236; P642.26

A

2095-1329(2013)04-0017-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.04.005

2013-10-31

2013-11-20

蔣亞楠(1988-),女,博士生,主要從事時間序列InSAR技術提取和分析地表形變場研究.

電子郵箱：yananjiang@whu.edu.cn

聯(lián)系電話：027-68778070

高等學校博士學科點專項科研基金(博導類) (20110141110057)