InSAR技術(shù)在高速公路監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

任劍

（山西交通控股集團(tuán)呂梁北公司，山西 呂梁 033199）

0 引言

在高速公路監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，采用TS-InSAR 技術(shù)可將測(cè)量位移與假定穩(wěn)定的參考點(diǎn)相比較，使用優(yōu)化程序選擇參考點(diǎn)，對(duì)所有目標(biāo)執(zhí)行統(tǒng)計(jì)分析以選擇具有最佳雷達(dá)參數(shù)的點(diǎn)，包括高相干性、低標(biāo)準(zhǔn)偏差和低時(shí)空變化，可有效獲得最高質(zhì)量的結(jié)果[1]。本文為研究In?SAR技術(shù)在高速公路監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得出監(jiān)測(cè)區(qū)域的累積沉降量和形變速率，進(jìn)而得出各具體點(diǎn)位形變情況，并在具體工程中進(jìn)行應(yīng)用研究。

1 TS-InSAR技術(shù)

TS-InSAR 是一項(xiàng)高精度的公路監(jiān)測(cè)技術(shù)，將所需監(jiān)測(cè)區(qū)域的測(cè)量位移和假定穩(wěn)定的參考點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，可將解算的整個(gè)參考點(diǎn)顯示于同一圖像上，基于相關(guān)程序來(lái)選取參考點(diǎn)，該程序能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并選取最具雷達(dá)參數(shù)的參考點(diǎn)，其中包括高相關(guān)性、低標(biāo)準(zhǔn)偏差以及低時(shí)空變化。InSAR 技術(shù)應(yīng)用原理為結(jié)合星載單天線針對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行重軌訪問(wèn)，以得到目標(biāo)區(qū)域的地形信息，其中，DInSAR 技術(shù)是在InSAR 技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于差分干涉處理原理對(duì)干涉相位中的形變區(qū)域進(jìn)行分析，最終可有效得出目標(biāo)區(qū)域地表形變信息[2-3]。由于監(jiān)測(cè)形變時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)，各種延遲因素均會(huì)影響DInSAR 技術(shù)的正常使用，因此，現(xiàn)階段提出了一種TS-InSAR 技術(shù)，又稱為永久散射體監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用孔徑雷達(dá)干涉對(duì)永久散射體目標(biāo)使用時(shí)序SAR影像進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而獲取目標(biāo)研究區(qū)域的大氣信息和形變時(shí)序信息。

2 工程概況

本項(xiàng)目示范區(qū)域?yàn)獒撑R高速公路中長(zhǎng)約125km、災(zāi)害多發(fā)的高速公路路段，本次監(jiān)測(cè)主要針對(duì)沿線的邊坡、高速公路高架橋和路基，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括邊坡的變形、碎落、崩解、楔形體、掉皮、裂縫等病害以及地質(zhì)地貌特征等，高架橋的橋面變形、隆起、橋墩的差異沉降、累積沉降、裂縫的早期識(shí)別等，路基的沉降、隆起、裂縫、沉降路段長(zhǎng)度、累積沉降量、沉降速率和趨勢(shì)等，為制定科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)和治理方案提供有效支撐。圖像采集時(shí)間為2019年1月—2021年5月，共計(jì)70 景。圖像以12 天一次的頻率被采集，總共處理了70圖像，后續(xù)每個(gè)月觀測(cè)影像將按要求持續(xù)采集。

由于自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)設(shè)備（AOI）顯示面板尺寸大，且高速路段的邊坡都有大片茂密植被覆蓋，研究區(qū)域海拔為1 000m 左右，因此，PS-InSAR 處理過(guò)程需要25景以上的圖像。另外，研究區(qū)地勢(shì)平坦，有幾處隧道，隧道部分屬于監(jiān)測(cè)盲區(qū)，無(wú)法提供形變信息數(shù)據(jù)。

3 TS-InSAR結(jié)果

3.1 累積沉降量

岢臨高速2019年1月—2021年5月期間測(cè)得累積沉降總量，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于TS 或DS，并根據(jù)總形變量的大小和方向進(jìn)行顏色編碼，沿著衛(wèi)星視線（LOS）相對(duì)于數(shù)據(jù)集的第一圖像（2019年1月8日）測(cè)量形變量。In?SAR 結(jié)果共計(jì)108 990 個(gè)形變點(diǎn)，在主要的高速公路、邊坡和露天場(chǎng)地中發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)局部沉降的區(qū)域。

3.2 形變速率

從所有SAR 圖像集處理中解算得到視線方向上的（LOS）位移速率（以mm/年表示），每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)相干散射體（CS）或分布式散射體（DS），并根據(jù)其年形變速率進(jìn)行顏色編碼。平均位移值是根據(jù)衛(wèi)星圖像覆蓋的整個(gè)周期內(nèi)測(cè)量的地面運(yùn)動(dòng)的線性回歸計(jì)算的[4]。地面運(yùn)動(dòng)的詳細(xì)信息也通過(guò)位移時(shí)間序列提供，這些時(shí)間序列是為每個(gè)CS 和DS 提供的。整個(gè)AOI 的形變速率分布，95%在-10～+10mm/年之間，區(qū)域較為穩(wěn)定，形變速率范圍為-50～+50mm/年。同時(shí)，結(jié)合整個(gè)AOI的形變速率和累積沉降量研究分析。

3.3 隱患點(diǎn)形變分析

結(jié)合整個(gè)AOI 的形變速率和累積沉降量研究分析，各隱患點(diǎn)區(qū)位形變情況如表1所示。

表1 各隱患點(diǎn)區(qū)位形變情況

3.4 具體點(diǎn)位分析

由于本研究區(qū)存在的隱患點(diǎn)較多，現(xiàn)選取幾處典型性的點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，具體如下：

（1）化林隧道邊坡監(jiān)測(cè)

化林隧道邊坡（38.03°N，110.958°E）位置表面存在變形。區(qū)域在2019年1月—2021年5月的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1所示，可以看到右側(cè)道路邊坡頂部存在一個(gè)紅色點(diǎn)位，右側(cè)路基存在一處黃色點(diǎn)位。由圖2沉降時(shí)序圖可以看出，坡體區(qū)域呈現(xiàn)為橙紅色變形點(diǎn)，從圖中發(fā)現(xiàn)T1 經(jīng)緯度為：110.958556°E，38.030628°N；兩年半累積沉降量為-32.17mm，沉降趨勢(shì)為線性沉降，位于坡體東北角頂部。2019年8月形變波動(dòng)變化較大。而后一直處于持續(xù)沉降，需要及時(shí)查看邊坡?tīng)顩r。由圖3沉降時(shí)序圖可以看出，位于東側(cè)路基邊上，T2 經(jīng)緯度為：110.958071°E，38.030558°N，在公路路基邊上；該位置兩年半累積沉降量為-20.1mm，沉降趨勢(shì)為持續(xù)沉降。邊坡位置2019 年7 月、2020 年7 月沉降量起伏偏大，擾動(dòng)明顯，需要進(jìn)步關(guān)注雨季區(qū)域的形變情況。

圖1 化林隧道邊坡沉降量圖

圖2 T1點(diǎn)位沉降時(shí)序散點(diǎn)圖（形變速率：-12.991mm/年）

圖3 T2沉降時(shí)序散點(diǎn)圖（形變速率：-8.126mm/年）

（2）218省道旁監(jiān)測(cè)

218 省道邊坡 （38.19°N，111.119°E） 存在有微小變形情況。邊坡區(qū)域在2019年1月—2020年7月的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示，該處邊坡存在多處紅色點(diǎn)位。由時(shí)序圖5可知，在2019年1月至2021年5月形變點(diǎn)云數(shù)據(jù)均為橙色，T1 其經(jīng)緯度為：111.119843°E，38.190998°N，位于監(jiān)測(cè)區(qū)域的邊坡上；該區(qū)域兩年半最大累積沉降量為-34.8mm。該位置表現(xiàn)為全時(shí)段持續(xù)性的沉降，2020年1月以后沉降速率出現(xiàn)了一次跳變。從2021年2月開(kāi)始沉降速率略有加快。

圖4 218省道旁沉降量圖

圖5 沉降時(shí)序散點(diǎn)圖（形變速率：-13.476mm/年）

（3）白文服務(wù)區(qū)南部監(jiān)測(cè)

白文服務(wù)區(qū)邊坡（38.134°N，111.039°E）存在有微小變形情況。邊坡區(qū)域在2019年1月—2020年5月的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示，該區(qū)域的隧道口區(qū)域路基上存在多處紅色形變點(diǎn)。由時(shí)序圖7 可知，在2019 年1 月—2021 年5 月形變點(diǎn)云數(shù)據(jù)均為橙色，T1 其經(jīng)緯度為：111.039303°E，38.134269°N，位于監(jiān)測(cè)區(qū)域的邊坡底部；該區(qū)域兩年半最大累積沉降量為-32.05mm。該位置表現(xiàn)為全時(shí)段持續(xù)性的沉降，其中雨季形變情況波動(dòng)較大，近期形變略有放緩。

圖6 白文服務(wù)區(qū)沉降量圖

圖7 沉降時(shí)序散點(diǎn)圖（形變速率：-12.589mm/年）

（4）興縣鴉兒窩村監(jiān)測(cè)

興縣鴉兒窩村邊坡（38.456°N，111.115°E）存在有微小變形情況。邊坡區(qū)域在2019年1月—2021年5月的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示，該處區(qū)域在邊坡上存在一處紅色點(diǎn)位，路基中間也存在一處紅色點(diǎn)位。由時(shí)序圖9可知，在2019年1月—2021年5月形變點(diǎn)云數(shù)據(jù)均為橙紅色，T1其經(jīng)緯度為：111.155449°E，38.456733°N，位于監(jiān)測(cè)區(qū)域的路基上；該區(qū)域兩年半最大累積沉降量為-18.22mm。該位置表現(xiàn)為全時(shí)段持續(xù)性的沉降，整體波動(dòng)略大。

圖8 興縣鴉兒窩村沉降量圖

圖9 沉降時(shí)序散點(diǎn)圖（形變速率：-6.241mm/年）

4 結(jié)語(yǔ)

本文為研究InSAR 技術(shù)在高速公路監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，監(jiān)測(cè)方式使用TSInSAR（時(shí)序干涉SAR 處理），共監(jiān)測(cè)公路長(zhǎng)度120km，參考點(diǎn)選擇在城市穩(wěn)定區(qū)域上，該位置穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)得到的點(diǎn)文件標(biāo)準(zhǔn)差99%小于限差，得到的結(jié)果符合精度要求，具有一定的可行性和實(shí)用性。