DInSAR沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

高文峰，甘俊，王長(zhǎng)進(jìn)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

DInSAR沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

高文峰，甘俊，王長(zhǎng)進(jìn)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

針對(duì)當(dāng)前鐵路勘察設(shè)計(jì)中面臨鐵路沿線地表區(qū)域歷史沉降監(jiān)測(cè)資料缺失、調(diào)查困難的問題，該文引入了合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(DInSAR)技術(shù)對(duì)鐵路勘察設(shè)計(jì)階段區(qū)域沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)；結(jié)合鐵路勘察設(shè)計(jì)對(duì)地表區(qū)域沉降需求特點(diǎn)，采用常規(guī)差分DInSAR和小基線集(SBAS)技術(shù)方案對(duì)鐵路沿線進(jìn)行區(qū)域沉降監(jiān)測(cè)，并基于不同方案開展了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明：利用常規(guī)差分干涉測(cè)量和基于時(shí)序的差分干涉測(cè)量方法，能夠有效地監(jiān)測(cè)到鐵路沿線的地表區(qū)域沉降范圍、沉降量和沉降速率，基于時(shí)序的差分干涉測(cè)量能夠提供更加準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果，為鐵路方案穩(wěn)定性提供準(zhǔn)確的區(qū)域沉降資料。

雷達(dá)差分干涉測(cè)量；小基線集；沉降監(jiān)測(cè)；勘察設(shè)計(jì)；區(qū)域沉降

0 引 言

自2008年我國(guó)第一條高速鐵路——京津城際開通運(yùn)營(yíng)以來，截止目前，我國(guó)運(yùn)營(yíng)的高速鐵路里程已經(jīng)超過10000km，居世界第一，而依據(jù)我國(guó)地面沉降現(xiàn)狀，多條運(yùn)營(yíng)中的高鐵均過境于較為典型的地面沉降區(qū)[1-3]，存在有不同程度的區(qū)域沉降和線上沉降。例如：據(jù)現(xiàn)有高鐵沉降監(jiān)測(cè)資料顯示，京津城際、京滬高鐵等在天津地區(qū)的個(gè)別段落具有不同程度的沉降現(xiàn)象。而地表沉降會(huì)嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)營(yíng)的安全，一旦運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生了嚴(yán)重的沉降，后期的維護(hù)成本和維修難度都非常高，且會(huì)嚴(yán)重影響高鐵的運(yùn)營(yíng)安全。另外，高等級(jí)測(cè)量控制點(diǎn)作為高鐵勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的基礎(chǔ)，也必須保證其穩(wěn)定性，盡量避免布設(shè)于地面沉降漏斗中心。為了避免高鐵在運(yùn)營(yíng)期發(fā)生(過大)沉降以及避免控制測(cè)量點(diǎn)位布設(shè)于地面沉降漏斗中，最有效的方法之一就是在勘察設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)地表的沉降漏斗，避免設(shè)計(jì)方案從沉降漏斗中穿過或者提前做好防護(hù)措施，測(cè)量控制點(diǎn)選擇時(shí)也能有效避開沉降漏斗區(qū)域。

雷達(dá)干涉測(cè)量(Synthetic Aperture Radar Interferometry，InSAR)技術(shù)提供了一種全新的地表形變監(jiān)測(cè)方法，該方法可以獲取大范圍、厘米級(jí)精度的地表形變信息，在地震、火山、冰川運(yùn)動(dòng)、城市地面沉降等監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用廣泛[4-5]。以Ferretti等為代表提出的永久散射體雷達(dá)差分干涉技術(shù)(Persistant Scatters InSAR，PSI)測(cè)量[6]，使DInSAR觀測(cè)微小形變的精度和可靠性得到極大提高。近年來，隨著角反射器技術(shù)(Corner Reflector，CR)、短基線子集技術(shù)(Small Bases Subset，SBAS)、永久散射體技術(shù)(Persistant Scatters，PS)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，同時(shí)伴隨著高分辨率合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星的發(fā)射以及商業(yè)處理軟件的不斷發(fā)展，使得合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。目前，DInSAR技術(shù)在京津地區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)等地面沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)用中取得了良好的效果[7-9]。王志勇等基于DInSAR技術(shù)對(duì)礦區(qū)沉降進(jìn)行了精細(xì)化監(jiān)測(cè)與分析[11]，其監(jiān)測(cè)結(jié)果達(dá)到了厘米級(jí)[10]。在鐵路工程應(yīng)用中，現(xiàn)有的研究主要集中在DInSAR區(qū)域沉降信息獲取上，對(duì)于形變信息的后續(xù)精細(xì)化分析以及與工程結(jié)合應(yīng)用的相關(guān)研究不足[11]，本文結(jié)合鐵路勘察設(shè)計(jì)階段對(duì)沉降監(jiān)測(cè)的要求，提出DInSAR技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方案，并以實(shí)驗(yàn)論證分析其應(yīng)用可行性。

1 DInSAR相對(duì)傳統(tǒng)沉降監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于傳統(tǒng)水準(zhǔn)、GPS、靜力水準(zhǔn)儀等沉降監(jiān)測(cè)方法，DInSAR沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)具有全天時(shí)、全天候、高形變敏感度、高時(shí)空分辨率等優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了已有沉降監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用的不足，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

非接觸性。通過微波遙感衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，甚至上線作業(yè)的問題，避開了測(cè)量與運(yùn)營(yíng)之間的矛盾，將野外絕大部分工作轉(zhuǎn)移到室內(nèi)完成。

區(qū)域連續(xù)性。采用DInSAR的方法是對(duì)衛(wèi)星影像覆蓋的整個(gè)區(qū)域進(jìn)行處理，能夠得到整個(gè)區(qū)域內(nèi)連續(xù)的沉降信息，相對(duì)于傳統(tǒng)點(diǎn)狀沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果，更容易找出沉降源并對(duì)沉降原因進(jìn)行綜合分析。

歷史回溯性。利用合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星的存檔歷史數(shù)據(jù)，可以對(duì)特定區(qū)域的歷史沉降信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)未來沉降趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，這對(duì)鐵路勘察設(shè)計(jì)中對(duì)不良地質(zhì)的判斷以及鐵路方案的選擇具有重要的作用。

2 基于DInSAR技術(shù)的鐵路勘察設(shè)計(jì)沉降監(jiān)測(cè)方案

如上所述，將DInSAR沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鐵路勘察設(shè)計(jì)中，可對(duì)鐵路沿線數(shù)公里之內(nèi)的范圍進(jìn)行區(qū)域沉降監(jiān)測(cè)，以確定沉降范圍、沉降量及變化趨勢(shì)，為方案選擇和制定預(yù)防沉降措施提供依據(jù)。根據(jù)目前DInSAR技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，主要有兩種DInSAR沉降監(jiān)測(cè)方案可以應(yīng)用與鐵路勘察設(shè)計(jì)中，具體方案的選擇，需要根據(jù)項(xiàng)目需要、存檔數(shù)據(jù)、工期及經(jīng)費(fèi)情況綜合選擇。

2.1 常規(guī)DInSAR差分干涉測(cè)量方案

當(dāng)研究區(qū)域有效SAR數(shù)據(jù)較少時(shí)，采用常規(guī)DInSAR進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這種方法只需少量SAR數(shù)據(jù)，保證有合理的形變干涉對(duì)即可，主要步驟包括：①數(shù)據(jù)分析，綜合考慮工程需求、數(shù)據(jù)成本、數(shù)據(jù)存檔以及數(shù)據(jù)組合質(zhì)量等因素，選擇性價(jià)比最高的SAR數(shù)據(jù)，構(gòu)建最優(yōu)形變干涉像對(duì)和地形干涉像對(duì)；②數(shù)據(jù)處理，按照常規(guī)差分干涉處理流程，完成基礎(chǔ)干涉處理和形變量計(jì)算；③成果分析，根據(jù)處理結(jié)果劃定沉降漏斗范圍、漏斗中心沉降與邊緣沉降量差異等指標(biāo)；④工程應(yīng)用，結(jié)合既有地質(zhì)、沉降資料，進(jìn)行實(shí)地踏勘調(diào)查，綜合分析重點(diǎn)漏斗區(qū)沉降原因，提出相關(guān)建議，最終形成應(yīng)用報(bào)告輔助勘察設(shè)計(jì)應(yīng)用。

以最常用的二軌法為例，DInSAR技術(shù)沉降監(jiān)測(cè)的應(yīng)用流程如圖1所示。

圖1 二軌法DInSAR技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程

常規(guī)DInSAR差分干涉測(cè)量受時(shí)空失相關(guān)以及大氣效應(yīng)影響較大，監(jiān)測(cè)結(jié)果精度一般為厘米級(jí)，主要用于定性分析，滿足對(duì)采空區(qū)、滑坡、地震等沉降較為劇烈的地質(zhì)災(zāi)害的形變監(jiān)測(cè)，基于常規(guī)DInSAR的沉降監(jiān)測(cè)方案在勘察設(shè)計(jì)前期用于確定沉降漏斗范圍和歷史沉降速率，輔助優(yōu)化方案。

2.2 基于時(shí)序InSAR差分干涉測(cè)量方案

當(dāng)沉降監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)收集的有效SAR數(shù)據(jù)較多時(shí)(一般不少于20景)，或需要長(zhǎng)時(shí)間段連續(xù)的沉降監(jiān)測(cè)時(shí)，需要采用基于時(shí)序InSAR(例如：PSInSAR、SBAS InSAR)的方法進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。以PSInSAR方法為例，通過大量不同周期的SAR數(shù)據(jù)構(gòu)建時(shí)序序列數(shù)據(jù)集，從序列集中提取出穩(wěn)定的(或者緩慢變化的)的PS點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，利用濾波算法剔除PS點(diǎn)中的沉降殘差點(diǎn)，采用合理的插值算法來獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)任意位置處的沉降速率及累計(jì)沉降量，然后通過成果分析和解譯，編制應(yīng)用報(bào)告來輔助工程應(yīng)用。PSInSAR的數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用流程如圖2所示。

圖2 PSInSAR技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 DInSAR沉降監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

(1)數(shù)據(jù)分析

本實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于鄭洛線某段，已知該段落存在較多沉降漏斗，利用DInSAR技術(shù)準(zhǔn)確獲取該范圍內(nèi)的沉降漏斗的位置、范圍和沉降量，為勘察設(shè)計(jì)提供依據(jù)。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘察，該段落村莊分布較多，植被和農(nóng)田覆蓋區(qū)比例大，實(shí)驗(yàn)收集了該地區(qū)的8景ALOS-PalSAR數(shù)據(jù)作為此次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)源，針對(duì)收集的SAR數(shù)據(jù)數(shù)量較少的情況，采用常規(guī)DInSAR差分干涉測(cè)量方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。SAR數(shù)據(jù)的時(shí)空基線如表1所示。

表1 鄭洛線ALOS數(shù)據(jù)時(shí)空基線信息

綜合表1分析，選擇20100310-20100425像對(duì)作為形變對(duì)，使用SRTM作為外部DEM參考，采用GAMMA軟件按照二軌差分進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)處理。

(2)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)形變結(jié)果進(jìn)行地理編碼，以每2cm為單個(gè)條紋形變量得到形變量圖，結(jié)合鐵路線位走向進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在諸多條紋突變區(qū)，DInSAR的結(jié)果說明該實(shí)驗(yàn)段落在2010年3月到4月的兩個(gè)月間發(fā)生了形變。

以聚類方式對(duì)形變區(qū)進(jìn)行歸類，發(fā)現(xiàn)其主要分布在5個(gè)大區(qū)域內(nèi)，如圖3所示。換算成具體形變量可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)區(qū)域所發(fā)生形變的程度是不一樣的，其中1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)區(qū)域發(fā)生形變比較大，1號(hào)區(qū)域內(nèi)其最大沉降量甚至達(dá)到10cm。設(shè)計(jì)方案從2號(hào)沉降區(qū)邊緣穿過，需要引起設(shè)計(jì)注意。

圖3 鄭洛線DInSAR差分干涉結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與DInSAR方法判斷的沉降量、沉降范圍吻合率達(dá)到95%以上，這充分說明該方法在鐵路勘察設(shè)計(jì)中沉降監(jiān)測(cè)的有效性和正確性。

3.2 基于時(shí)序InSAR的沉降監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于陽(泉)大(寨)鐵路沿線，該鐵路線位途徑大量煤礦采空區(qū)，其特點(diǎn)為煤礦采空區(qū)密度高、數(shù)量龐大、分布區(qū)域不一、采空區(qū)大小不固定。由于大量煤礦于20世紀(jì)80年中期開始大量開采的，其中部分小型煤礦在90年代初期已經(jīng)關(guān)閉，經(jīng)變遷后這些采空區(qū)表面已經(jīng)或?yàn)橹脖桓采w，或成為其他農(nóng)業(yè)用地等，難以確定定位，同時(shí)又缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和記錄。需要利用存檔的InSAR數(shù)據(jù)準(zhǔn)確獲取當(dāng)時(shí)條件下的沉降區(qū)，為定位隱形的采空區(qū)提供依據(jù)。本試驗(yàn)區(qū)選擇2007年～2011年期間的18景ALOS-PalSAR作為本次沉降檢測(cè)的數(shù)據(jù)源。

(1)數(shù)據(jù)處理

首先應(yīng)用連續(xù)2D差分方案，通過時(shí)空基線指標(biāo)進(jìn)行自由配對(duì)組合，選取最優(yōu)主影像，之后輔助粗DEM進(jìn)行17個(gè)組合的2D差分處理，獲取17個(gè)組合對(duì)應(yīng)時(shí)間段的沉降量圖，在考慮各類誤差因素的基礎(chǔ)上通過比對(duì)分析，確定區(qū)域概略沉降位置，以及沉降區(qū)的演變過程。提取時(shí)空基線閾值、相位偏差閾值、振幅離差閾值、信噪比閾值、沉降速率先驗(yàn)值等經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

在提取經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用GAMMA軟件通過時(shí)空基線指標(biāo)進(jìn)行兩兩自由配對(duì)組合，構(gòu)建小基線差分干涉像對(duì)，從中選取49個(gè)最優(yōu)干涉對(duì)進(jìn)行小基線集(SBAS)運(yùn)算，經(jīng)過差分干涉處理、結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行誤差相位剔除、沉降反演等，得到最終結(jié)果。然后對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行解譯，確定沉降漏斗邊界、沉降量和沉降速率，疊加設(shè)計(jì)方案，制作形變解譯圖，如圖5所示。

圖4 陽大線SBAS InSAR沉降監(jiān)測(cè)解譯圖(部分)

(2)結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)專業(yè)要求，提取沉降變化速率圖并進(jìn)行解譯，提取沉降漏斗和大型沉降區(qū)范圍，同時(shí)基于漏斗邊緣年沉降速率的大小，將沉降漏斗區(qū)分為3類：Ⅰ類區(qū)域3～5cm/year，Ⅱ類區(qū)域5～10cm/year，Ⅲ類區(qū)域>10cm/year，在線位4km的緩沖區(qū)內(nèi)，獲取影響線位走向的危險(xiǎn)沉降區(qū)域。經(jīng)過分析，共發(fā)現(xiàn)Ⅰ類沉降區(qū)13處，Ⅱ類沉降區(qū)8處，Ⅲ類沉降區(qū)4處。在2007年～2011年間，Ⅰ類沉降區(qū)整體沉降量<0.3m，II類沉降區(qū)整體沉降量<0.5m。在線路方案上需要重點(diǎn)關(guān)注的大型沉降區(qū)有以下幾個(gè)，如表3所示。

表3 重點(diǎn)關(guān)注段落

上述4個(gè)區(qū)域在2007至2011年間整體沉降量都大于0.5m，沉降采空區(qū)中心因沉降過大產(chǎn)生失相干，無法準(zhǔn)確獲取其沉降量，基于沉降區(qū)邊緣差分干涉條紋圖及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，推斷中心區(qū)域的沉降量在1m以上。

圖5 重點(diǎn)段落沉降檢測(cè)分析示意圖

以上重點(diǎn)區(qū)域經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查，均存在或者歷史上存在煤礦開采現(xiàn)象，這為鐵路方案的設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)，使設(shè)計(jì)人員鐵路方案比選過程中提前考慮地面沉降帶來的影響并做好預(yù)防措施，從而保證設(shè)計(jì)方案的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本文分析了DInSAR沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)述了DInSAR和PSInSAR技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)方案，并結(jié)合兩個(gè)工程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。通過本文的分析及在鐵路勘察設(shè)計(jì)工程中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：DInSAR技術(shù)應(yīng)用于鐵路區(qū)域沉降監(jiān)測(cè)較傳統(tǒng)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其區(qū)域連續(xù)性特點(diǎn)更容易發(fā)現(xiàn)沉降漏斗，為鐵路方案的比選提供重要依據(jù)；基于時(shí)間序列的差分雷達(dá)干涉技術(shù)能夠探測(cè)到更精確的微小形變量，且隨著數(shù)據(jù)量的積累，其監(jiān)測(cè)可靠性越來越高；現(xiàn)場(chǎng)踏勘目標(biāo)更明確，具有更少的外業(yè)工作量和更高的調(diào)查效率。

采用DInSAR進(jìn)行鐵路沉降監(jiān)測(cè)也存在一定的局限性，一方面鐵路呈現(xiàn)帶狀走向，需要的數(shù)據(jù)量比較大，需要的區(qū)域之內(nèi)不一定有合適的存檔數(shù)據(jù)；另外，數(shù)據(jù)處理軟件比較少，尤其是成熟的國(guó)產(chǎn)軟件比較少；再者，目前SAR數(shù)據(jù)源(尤其是高分辨率SAR數(shù)據(jù))費(fèi)用較高。以上因素在一定程度上限制了DInSAR技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用。隨著國(guó)際社會(huì)越來越重視合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，許多國(guó)家都開始大力發(fā)展和推廣該項(xiàng)技術(shù)，近年來，星載SAR平臺(tái)日益先進(jìn)，其數(shù)據(jù)空間分辨率和數(shù)據(jù)質(zhì)量越來越高，重訪周期更短，其相應(yīng)的存檔數(shù)據(jù)也越來越多，且其費(fèi)用呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，這些勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步快速推動(dòng)DInSAR技術(shù)在鐵路勘察設(shè)計(jì)乃至鐵路運(yùn)營(yíng)等不同階段的深入應(yīng)用。

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Application of DInSAR Technology in Subsidence Monitoring on Railway Survey and Design

GAO Wen-feng，GAN Jun，WANG Chang-jin

(TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd，Tianjin300142)

To solve the problems of historical subsidence monitoring data deficiency and difficulty of regional subsidence survey for railway survey and design，we use differential synthetic aperture radar interferometry (DInSAR) technique to monitor the regional subsidence in the stage of railway survey and design.According to the demand of railway survey and design on the regional subsidence，both the conventional DInSAR and the small baseline subset (SBAS) techniques were utilized for monitoring the regional subsidence along the railway.The experiments were implemented in terms of different schemes.The results demonstrate that the conventional DInSAR can extract the subsidence area coverage，subsidence magnitudes and subsidence velocities.Further analysis indicates that the multi-temporal DInSAR is able to detect more accurate subsidence results，which can provide appropriate regional subsidence datum for railway planning stability.

DInSAR；SBAS；subsidence monitoring；survey and design；regional subsidence

2014―08―05

高文峰(1976—)，男，本科，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感、機(jī)載激光雷達(dá)以及DInSAR沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)在鐵路工程中的應(yīng)用。

E-mail：gaowenfeng@tsdig.com；910838115@qq.com

10.3969/j.issn.1000-3177.2015.05.013

P237

A

1000-3177(2015)141-0083-05