毫米級遙感技術(shù)在高速公路監(jiān)測技術(shù)中的應(yīng)用

任軍軍

（山西呂梁環(huán)城高速公路管理有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000）

0 引言

呂梁環(huán)城高速是山西高速公路規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”中的呂梁環(huán)線。高速沿線濕陷性黃土廣布，誘發(fā)了高速沿線地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)和道路重要基礎(chǔ)設(shè)施的安全。因此，監(jiān)測該區(qū)域地表動態(tài)變形，查明地面沉降的空間分布特征，結(jié)合遙感影像和野外驗(yàn)證，對服務(wù)于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和防治具有重大社會意義。

傳統(tǒng)的GPS 等地表變形監(jiān)測手段精度高，但空間密度低、無法提供整個區(qū)域的地表變形信息[1]。新近發(fā)展的合成孔徑雷達(dá)干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR）技術(shù)可以全天時、全天候地實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)地表變形的高時空分辨率監(jiān)測[2]。相對傳統(tǒng)的差分合成孔徑雷達(dá)干涉測量(Differential Interferometric SAR, D-InSAR) 技術(shù)，永久散射體干涉 (Permanent Scatterer Interferometry,PS-InSAR)和小基線集(Small Baseline Subset, SBAS)方法可較好克服時空失相關(guān)和大氣非均勻等問題，目前已被廣泛應(yīng)用至滑坡變形、冰川運(yùn)動、構(gòu)造活動和地面沉降等領(lǐng)域[3-15]。

針對呂梁繞城高速地面沉降的空間分布范圍、沉降過程和成因方面的研究尚處于空白狀態(tài)的現(xiàn)狀，本研究利用PS-InSAR 的方法，處理了2018 年1月—2019 年6 月間共32 景歐空局Sential-1A 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提取了區(qū)域地表變形分布，并結(jié)合野外驗(yàn)證，確定了呂梁繞城高速地面沉降的空間分布范圍和變形過程，為呂梁繞城高速地面沉降防治提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 毫米級遙感技術(shù)（PS-InSAR）原理

本文利用PS-InSAR 方法對研究區(qū)2018—2019年Sentinal-1A 共計(jì)32 景升軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對影像進(jìn)行高相干點(diǎn)篩選、噪聲濾除、基線估算、去平地效應(yīng)、相位解纏以及計(jì)算高程和糾正誤差等一系列處理，得到覆蓋研究區(qū)2018—2019 年的地表形變速率，本研究通過空間位置關(guān)系轉(zhuǎn)換將視線方向的變形轉(zhuǎn)化為垂直方向，所以正值代表地表抬升，負(fù)值表示地表沉降。具體PS-InSAR 處理流程如圖1。

2 應(yīng)用PS-InSAR 監(jiān)測呂梁環(huán)城高速形變

2.1 研究區(qū)域概況

呂梁環(huán)城高速是山西高速公路規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”中的呂梁環(huán)線。起點(diǎn)位于方山縣大武鎮(zhèn)閻家山村，與國家G59 呼北高速臨縣至離石段相接，終點(diǎn)位于離石區(qū)田家會街道上樓橋村，主線全長38.188 km。道路沿線黃土廣布，土質(zhì)濕陷性較大，是造成高速公路沿線路基沉陷、橋梁、隧道和邊坡失穩(wěn)的主要地質(zhì)因素[16]。

2.2 SAR 數(shù)據(jù)選取

Sentinel-1 由 EC（歐洲委員會）出資、ESA（歐洲航天局）設(shè)計(jì)與開發(fā)。Sentinel-1A 于2014 年4 月3 號發(fā)射升空，并獲得數(shù)據(jù)。

2.3 SAR 數(shù)據(jù)處理

InSAR 干涉測量數(shù)據(jù)處理流程分為以下6 個關(guān)鍵步驟。

圖1 PS-InSAR 數(shù)據(jù)處理流程圖

2.3.1 選取公共主圖像

選取主圖像作為其余影像的配準(zhǔn)基準(zhǔn)和干涉基準(zhǔn)。

2.3.2 圖像配準(zhǔn)

將覆蓋同一研究區(qū)的多幅SAR 衛(wèi)星影像提取地表形變信息，將所有影像進(jìn)行配準(zhǔn)。SAR 圖像配準(zhǔn)通過計(jì)算主影像和待配準(zhǔn)影像之間在距離向和方位向上的偏差，利用高階多項(xiàng)式擬合同名像點(diǎn)的坐標(biāo)偏移量，對待配準(zhǔn)影像實(shí)行坐標(biāo)變換和重采樣。

2.3.3 差分干涉處理

將32 景影像配準(zhǔn)之后，所有輔影像被重采樣到主影像空間上。將重采樣后所有輔影像與主影像進(jìn)行共軛相乘，生成圖像的干涉相位圖。得到的相位信息包含地表形變信息、地表地形相位等信息，同時利用外部數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)模擬地形相位，對該步驟生成的干涉圖進(jìn)行去除地形相位處理，生成差分干涉圖。此時得到第i 幅差分干涉圖第x 個研究散射體點(diǎn)（PS）的相位為：

式中：φD，x，i為視線方向形變相位；φA，x，i為大氣影響相位；φS，x，i為軌道誤差相位；φθ，x，i為 DEM 誤差造成的殘余地形相位；φN，x，i為噪聲相位。

2.3.4 PS 點(diǎn)目標(biāo)提取

利用毫米級遙感技術(shù)（PS-InSAR）進(jìn)行地表變形監(jiān)測，首先要根據(jù)研究區(qū)狀況選取一定數(shù)量的PS點(diǎn)。PS 點(diǎn)為雷達(dá)散射特性較為穩(wěn)定的目標(biāo)，例如高于地面的建筑物、斜坡或山體部位裸露的巖石等，以上目標(biāo)在所有生成的干涉對中保持較高的相干性。

2.3.5 InSAR 相位解纏

在上述PS 點(diǎn)目標(biāo)提取中得到的PS 點(diǎn)地表形變相位值位于[-π，π]之間，對變形相位進(jìn)行相位解纏，得到研究區(qū)雷達(dá)影像的變形相位整周模糊度信息，最終得到時序變形相位。本研究采用最小二乘法，獲得地表沿雷達(dá)視線方向上的地表位移量。

2.3.6 誤差及大氣效應(yīng)的估算與去除

由差分干涉處理結(jié)果可知，相位解纏結(jié)果中仍然存在DEM殘余誤差、大氣延遲等一系列的誤差相位。在本文研究中，為進(jìn)一步提高計(jì)算精度，需要估算信號處理過程中的各種誤差和大氣影響相位，最終得到高精度的地表變形監(jiān)測結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

整個研究區(qū)的形變速率分布，70%在-10 mm/year和+10 mm/year 之間?？傮w而言，形變速率范圍為-48.265～+32.35 mm/year（圖2）。

圖2 以mm/year 為單位的形變速率圖

3.1 路基沉降監(jiān)測

根據(jù)監(jiān)測成果，2018 年 9 月—2019 年 6 月形變值變化較大，K6—K8 累計(jì)最大沉降處位于K6+387，累計(jì)沉降值為-13.56 mm。具體變化情況見圖3～圖5。

圖3 K6+380—K6+510 路段沉降量分布圖

圖4 TS1（2924463）點(diǎn)時序形變曲線（形變量：-13.56 mm）

圖5 TS2（2920438）點(diǎn)時序形變曲線（形變量：-13.56 mm）

3.2 邊坡形變監(jiān)測

根據(jù)監(jiān)測成果，K17+300 邊坡 2018 年 1 月—2019 年6 月坡體趨于穩(wěn)定，累計(jì)沉降值為-10.127 mm。在邊坡路基對面發(fā)現(xiàn)一個新的隱患區(qū)域，最大具體變化情況見圖6～圖9。

圖6 K17+300 邊坡路段沉降分布圖

圖7 TS1（2495763）點(diǎn)時序形變曲線（形變量：-48.09 mm）

圖8 TS2（2495759）點(diǎn)時序形變曲線（形變量：-33.99 mm）

圖9 TS3（2481353）點(diǎn)時序形變曲線（形變量：-48.21 mm）

3.3 橋梁形變監(jiān)測

K5+937 硯石溝大橋在 2018 年 01 月—2019 年06 月的監(jiān)測結(jié)果如下，硯石溝大橋兩側(cè)為沉降漏斗區(qū)，最大累計(jì)沉降量為-63.17 mm，形變速率為-36.9 mm/year。離形變場值的直線距離最短為368 m，離最大沉降漏斗區(qū)域?yàn)?26 m（圖10）。橋面形變量較小，最大累計(jì)沉降量為-2.9 mm。橋頭右側(cè)累計(jì)沉降量為-43.57 mm，形變速率較大階段為20180326 ～20180805，20190414～20190613（圖11）；橋頭左側(cè)累計(jì)沉降量為-25.978 mm（圖12）。

圖10 K5+937 硯石溝大橋形變場等值線圖（20 mm 為等分線）

圖11 K5+733 硯石溝大橋橋頭右側(cè)沉降量（單位：mm）

圖12 K5+733 硯石溝大橋橋頭左側(cè)沉降量（單位：mm）

4 結(jié)語

本文運(yùn)用PS-InSAR 技術(shù)對呂梁繞城高速開展了地表形變監(jiān)測研究，將區(qū)內(nèi)地表形變分為3 種類型：道路沿線邊坡變形、路基沉降和橋梁變形，驗(yàn)證了PS-InSAR 監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確度和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

a）借助PS-InSAR 的方法對呂梁繞城高速地面沉降現(xiàn)象進(jìn)行定量分析，對2018—2019 年呂梁環(huán)城高速地表變形速率進(jìn)行精確分析，針對全線38 km 高速公路網(wǎng)，高速路段累計(jì)沉降量范圍最大區(qū)域發(fā)生在 K6—K8 之間，從 2018 年 1 月—2019 年 6 月累計(jì)沉降量達(dá)到-63.17 mm。全線監(jiān)測結(jié)果符合精度要求。

b）結(jié)合人類工程活動、地面沉降空間分布的數(shù)據(jù)，分析得到呂梁環(huán)城高速地面沉降與地層巖性有密切聯(lián)系，與地下水位埋深關(guān)系不明顯，人工填方、重型車輛加載、道路建設(shè)和農(nóng)業(yè)綠化灌溉是導(dǎo)致地面沉降的重要外因，濕陷性黃土具有更大的孔隙比和壓縮系數(shù)，在水的作用下更易發(fā)生淋濾和溶蝕，發(fā)生濕陷并進(jìn)一步導(dǎo)致不均勻沉降。

c）呂梁環(huán)城高速在運(yùn)行過程中，由于沿線削山造地、道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、重型車輛等引起的荷載使得地面荷載不斷增加，導(dǎo)致地面沉降現(xiàn)象更為嚴(yán)重。建議在道路規(guī)劃時要對道路沿線施工建設(shè)進(jìn)行控制，增加地面的承載力，從預(yù)防的角度減少地面沉降現(xiàn)象及其危害。