GNSS與InSAR技術(shù)在公路邊坡監(jiān)測領(lǐng)域的融合應(yīng)用

安博、李本偉

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041）

0 引言

近年來，山區(qū)公路建設(shè)快速發(fā)展，四川省陸續(xù)在涼山彝族自治州、阿壩藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州建設(shè)了雅西、汶馬、雅康等高速公路，還有樂西、新康、久馬、九綿等高速在建。新建改建各級公路達(dá)7.59 萬公里，有效支撐少數(shù)民族聚居區(qū)地方經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。

三州地區(qū)多位于山嶺重丘區(qū)，公路沿線地質(zhì)及氣候條件復(fù)雜、脆弱，且受人類活動等各種因素影響，沿線滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，每年均導(dǎo)致多起路網(wǎng)損毀事件，安全問題十分突出。斜坡變形或滑移往往使坐落其上或鄰近的路基路面及橋隧結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂、損壞、甚至垮塌，進(jìn)而導(dǎo)致人員傷亡、交通中斷，經(jīng)濟(jì)損失較大，且維修加固工程還面臨次生災(zāi)害風(fēng)險。因此，對威脅道路運(yùn)營安全的重點(diǎn)斜坡變形體進(jìn)行高效、連續(xù)、實(shí)時監(jiān)測，以評估道路運(yùn)營安全并提供及時預(yù)警具有重要意義。傳統(tǒng)的變形探測手段包括地質(zhì)調(diào)查配合全站儀、雨量計(jì)及張力計(jì)、測斜儀、應(yīng)變儀和壓力計(jì)等監(jiān)測傳感器。工作效率低下、監(jiān)測區(qū)域小，易受干擾，難以實(shí)現(xiàn)長期實(shí)時連續(xù)監(jiān)測，一般僅適用于已發(fā)生顯著變形的重點(diǎn)邊坡。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）技術(shù)可以一定程度上克服傳統(tǒng)手段的不足，是目前最有潛力的監(jiān)測方法，也符合發(fā)展智慧交通的交通強(qiáng)國建設(shè)要求，近年在滑坡探測與監(jiān)測方面取得了長足的發(fā)展和應(yīng)用。

1 GNSS 與InSAR 原理及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 GNSS

GNSS 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）泛指所有全球的、區(qū)域的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO 和中國的BDS，以及相關(guān)的增強(qiáng)系統(tǒng)，如美國的WAAS（廣域增強(qiáng)系統(tǒng)）、歐洲的EGNOS（歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng)）和日本的MSAS（多功能運(yùn)輸衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)）等。

我國獨(dú)立自主研發(fā)、建設(shè)、運(yùn)營了BDS（北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)），相比GPS，增加靜止軌道衛(wèi)星和傾斜地球同步軌道衛(wèi)星。BDS 系統(tǒng)已于2020年已完成35 顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，使中國擺脫了對GPS 系統(tǒng)的依賴。BDS系統(tǒng)可與GPS 及其他導(dǎo)航系統(tǒng)兼容，除提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航、單雙向授時等常規(guī)服務(wù)外，還可提供獨(dú)有的短報文通信服務(wù)。

GNSS 通過測量4 顆或4 顆以上已知衛(wèi)星與接收設(shè)備之間的距離，通過一系列算法和計(jì)算模型剔除電離層、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差等因素的影響，獲得高精度星地距離，再通過GNSS 基線網(wǎng)平差獲得目標(biāo)變形數(shù)據(jù)。2020年全球已有超過100 顆導(dǎo)航衛(wèi)星，GNSS接收設(shè)備一般均可以接收10 顆以上衛(wèi)星的信號，水平監(jiān)測精度可達(dá)3mm，垂直精度約5mm。

1.2 InSAR

合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一種高分辨率成像雷達(dá)。合成孔徑雷達(dá)干涉測量系統(tǒng)（Interferometric Synthetic Aperture Radar，In-SAR）通過觀測地面上同一目標(biāo)的兩次SAR 雷達(dá)回波信號的相位差，根據(jù)楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)原理，對兩次雷達(dá)回波信號進(jìn)行干涉處理，獲取該目標(biāo)的高程信息或形變信息的空間對地觀測技術(shù)。

1978年美國發(fā)射了第一顆搭載SAR 傳感器的衛(wèi)星。20世紀(jì)90年代，隨著歐洲、日本、加拿大等國家SAR 衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量增多后，InSAR 技術(shù)也日趨成熟。

我國InSAR 技術(shù)的研究起步較晚，國內(nèi)中科院、武漢大學(xué)、中國地質(zhì)調(diào)查局國土資源航空物探遙感中心等單位借助國外商業(yè)化SAR 數(shù)據(jù)，在地震監(jiān)測、滑坡監(jiān)測、地面沉降監(jiān)測等領(lǐng)域進(jìn)行了大量的InSAR 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。我國將高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)（簡稱高分專項(xiàng)）確立為《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》十六個重大科技專項(xiàng)之一。于2013年發(fā)射了高分一號（GF-1 號）衛(wèi)星在植被調(diào)查中發(fā)揮了重要作用，2016年8月發(fā)射的高分三號（GF-3 號）衛(wèi)星，在分辨率、成像模式和工作模式等方面已進(jìn)入國際領(lǐng)先行列，之后陸續(xù)又發(fā)射了四號、五號、六號、七號，我國在相關(guān)領(lǐng)域研究基本上已經(jīng)處于國際先進(jìn)水平。

目前全世界有在軌商業(yè)遙感衛(wèi)星數(shù)量超過500顆。應(yīng)用較為廣泛的在軌雷達(dá)衛(wèi)星包括中分辨率的免費(fèi)雷達(dá)衛(wèi)星Sentinel-1A/B，及高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星TerraSAR-X、Cosmo-Skey、ALOS-2 和RADARSAT-2 等。使用高分辨衛(wèi)星數(shù)據(jù)再設(shè)置角反射器的情況下監(jiān)測精度可達(dá)毫米級。隨著技術(shù)進(jìn)步，SAR 衛(wèi)星的成像質(zhì)量和時空分辨率越來越高，變形監(jiān)測精度還會繼續(xù)提高。

2 GNSS 與InSAR 技術(shù)比較

2.1 GNSS 優(yōu)缺點(diǎn)

GNSS 技術(shù)在地表變形監(jiān)測方面逐漸得到了廣泛應(yīng)用，它的特點(diǎn)是全天候、精度高、布網(wǎng)易、實(shí)時高效。

在滑坡體的變形監(jiān)測中，監(jiān)測點(diǎn)的位置通常是根據(jù)滑坡構(gòu)造和受力情況而定，點(diǎn)位騰挪余地較小。當(dāng)變形監(jiān)測點(diǎn)設(shè)在陡崖下方、靠近建筑物密或密林深處的視場狹窄位置時，衛(wèi)星信號易被遮擋，甚至部分時段沒有信號，且更易受多路徑效應(yīng)影響，其監(jiān)測精度和可靠性大受影響。且GNSS 監(jiān)測點(diǎn)在在監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域數(shù)量有限且離散，難以全面、準(zhǔn)確地反映變形區(qū)域整體。

GNSS 監(jiān)測需穩(wěn)定供電，其數(shù)據(jù)傳輸通常依賴移動通訊網(wǎng)絡(luò)，在氣候惡劣的偏遠(yuǎn)區(qū)域，太陽能供電不穩(wěn)定，需鋪設(shè)專用供電線路，或配置大容量應(yīng)急電源，并設(shè)置通訊基站，增加了監(jiān)測成本和工作量。

2.2 InSAR 優(yōu)缺點(diǎn)

InSAR 技術(shù)具有全天候、無接觸、范圍廣、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。一幅衛(wèi)星圖像就可以提供廣大面積的地表形變數(shù)據(jù)，測量人員不進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域就可以大面積探測地面的微小形變，這是其他任何監(jiān)測方法所不能比擬的優(yōu)勢，尤其適合地震、重大滑坡等災(zāi)后調(diào)查。

滑坡時常發(fā)生在地形復(fù)雜與植被發(fā)育的野外環(huán)境中，而InSAR 技術(shù)受大梯度形變、對流層延遲、幾何效應(yīng)、地形效應(yīng)、植被茂盛等多種因素的影響，在應(yīng)用時其測量精度和質(zhì)量會降低。為提高監(jiān)測精度，需在預(yù)先測定好三維坐標(biāo)的裸露點(diǎn)位設(shè)置角反射器，對雷達(dá)波形成強(qiáng)反射，作為雷達(dá)影像中的特征點(diǎn)，校正監(jiān)測數(shù)據(jù)。

InSAR 系統(tǒng)對于坡向與衛(wèi)星軌道方向相近的滑坡靈敏性較低。因此，在使用InSAR 進(jìn)行滑坡精細(xì)探測和監(jiān)測之前，首先要明確滑坡體可能的變形方向，選用適用的衛(wèi)星影像。同時衛(wèi)星都有固有運(yùn)行周期，難以對變形進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

2.3 技術(shù)比較

GNSS 可實(shí)時采集并傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，且精度更高，對于變形速度較快已處于發(fā)展階段的滑坡可實(shí)現(xiàn)及時預(yù)警。但由于監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量有限，難以確定變形范圍，更不可能獲得布設(shè)測點(diǎn)之前的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在人員無法抵達(dá)布設(shè)測點(diǎn)或衛(wèi)星信號易受遮擋的地方使用受限。

InSAR 通過對比衛(wèi)星圖像實(shí)現(xiàn)變形監(jiān)測，監(jiān)測范圍大且屬于面監(jiān)測。適合滑動速度較低的滑坡或已發(fā)生滑坡的災(zāi)后調(diào)查。還可用于道路設(shè)計(jì)選址選線階段區(qū)域普查，從而在設(shè)計(jì)時規(guī)避不穩(wěn)定區(qū)域，也可用于對已建道路沿線不穩(wěn)定邊坡篩查。但對滑動速度較快甚至已經(jīng)處于臨滑狀態(tài)的滑坡，則緩不濟(jì)急。

GNSS 和InSAR 均幾乎不受天氣影響，在實(shí)際應(yīng)用中，兩種方法各有其優(yōu)勢及局限，如表1 所示。

表1 GNSS 與InSAR 技術(shù)比較

3 應(yīng)用實(shí)例

雅西高速公路是四川攀枝花市和涼山彝族自治州連接省會成都的唯一大通道，2018年3月初，雅西高速瓦廠坪1 號大橋雅安側(cè)伸縮縫拉開、西昌側(cè)伸縮縫抵裂隆起、橋墩開裂傾斜，橋梁受損嚴(yán)重，瀕臨垮塌，導(dǎo)致交通中斷。進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)瓦廠坪段山體發(fā)生變形，導(dǎo)致路基拉裂，邊坡框架梁拉裂，如圖1 所示。為盡快恢復(fù)通行，減少對沿線地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾生產(chǎn)生活造成的損失和不便。雅西高速所屬養(yǎng)管公司對橋梁及邊坡開展了應(yīng)急搶險加固。鑒于現(xiàn)場山體陡峭，邊坡和橋梁垮塌風(fēng)險較高，養(yǎng)管公司為實(shí)時掌握山體變形情況和變形范圍，給搶險施工提供安全預(yù)警，同時為設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)，開展了GNSS監(jiān)測和InSAR 監(jiān)測工作。

圖1 瓦廠坪現(xiàn)場及橋下病害照片

2.4 GNSS 監(jiān)測

根據(jù)山體巖性、構(gòu)造和受力及當(dāng)前變形方向，衛(wèi)星信號接收條件等因素，由地質(zhì)人員及設(shè)備安裝人員現(xiàn)場調(diào)查共在山體上布設(shè)了19 個GNSS 測點(diǎn)（其中1號點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)置在坡下穩(wěn)定處），如圖2 所示。

圖2 瓦廠坪GNSS 測點(diǎn)布置圖

將所有GNSS 監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制等值線圖，發(fā)現(xiàn)2018年4 到5月邊坡變化速率較大，地表水平位移最大的部位集中在瓦廠坪1 號大橋上邊坡，如圖3 所示。沉降變形主要集中在瓦廠坪1橋下4～8 墩附近，6 號墩處最大，如圖4 所示。2 個月累計(jì)水平位移和沉降最大均達(dá)到210mm，平均速率3.5mm/d，個別時間段個別點(diǎn)位水平位移或沉降速率超過6mm/d，監(jiān)測人員根據(jù)監(jiān)測預(yù)案進(jìn)行了及時預(yù)警。

圖3 地表水平和位移變化量等值線圖

圖4 地表豎直沉降變化量等值線圖

根據(jù)GNSS 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，山體沉降以6 號墩為中心，往兩側(cè)及上下邊坡沉降均逐漸減弱，整體呈盆形沉降，與采空區(qū)變形特征接近。

2.5 InSAR 監(jiān)測

為明確變形范圍和變形發(fā)生時間，調(diào)取2017年底到2018年5月的日本ALOS-2（大地2 號）SAR 衛(wèi)星低分辨率雷達(dá)影像，對比分析后發(fā)現(xiàn)瓦廠坪山體至少在2017年已經(jīng)存在明顯變形，遠(yuǎn)早于2018年3月初橋梁險情發(fā)生之時，而且瓦廠坪區(qū)域也呈盆形沉降，如圖5左側(cè)紅色區(qū)域。而且在圖6 中也可發(fā)現(xiàn)，A1～A6 是左側(cè)紅色區(qū)域選取的變形較大的點(diǎn)，6 個月最大變形約80mm，多數(shù)變形曲線在發(fā)現(xiàn)橋梁險情的3月有明顯陡降。

圖5 瓦廠坪ALOS-2 衛(wèi)星InSAR 監(jiān)測成果圖

圖6 InSAR 典型點(diǎn)位變形曲線圖

2018年又使用歐洲的Sentinel-1 雷達(dá)遙感衛(wèi)星低分辨率雷達(dá)影像，對瓦廠坪路段全長15km 左右500m范圍路段進(jìn)行了整體InSAR 時序地面形變監(jiān)測與分析，2018年全年最大形變達(dá)到280mm，如圖7 所示。同時期GNSS 測得全年變形約400mm。

圖7 Sentinel-1（哨兵）SAR 雷達(dá)遙感衛(wèi)星低分辨率雷達(dá)影像

值得說明的是，2 次InSAR 監(jiān)測成果變形范圍基本吻合，但累計(jì)形變量不完全吻合。這是因?yàn)閮纱伪O(jiān)測衛(wèi)星不同，軌道方向也不同，使用的數(shù)據(jù)為低分辨率低精度衛(wèi)星影像，現(xiàn)場植被茂盛且未設(shè)置角反射器，無法對衛(wèi)星與地面觀測進(jìn)行檢校。

InSAR 監(jiān)測數(shù)據(jù)小于GNSS 所測數(shù)據(jù)，但佐證了GNSS 對山體呈盆式沉降的變形特征，且明確了瓦廠坪山體變形范圍及趨勢，對雅西高速瓦廠坪段沿線邊坡普查起到了重要作用。后期根據(jù)InSAR 監(jiān)測結(jié)果對GNSS 布點(diǎn)位置進(jìn)行了優(yōu)化。

根據(jù)GNSS 和InSAR 監(jiān)測反映的變形特征，雅西公司養(yǎng)管公司委托專業(yè)單位開展了采空區(qū)專項(xiàng)地質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)沉降區(qū)域正下方400～500m 存在煤礦采空區(qū)。而InSAR 監(jiān)測的山體變形范圍也同采空區(qū)調(diào)查范圍基本匹配。GNSS 和InSAR 監(jiān)測成果為分析山體變形原因提供了重要依據(jù)。

3 結(jié)論

四川三州地區(qū)公路邊坡災(zāi)害點(diǎn)多面廣，且不少災(zāi)害源區(qū)地形地貌復(fù)雜陡峻，植被茂盛，僅靠傳統(tǒng)的人工排查已很難提前發(fā)現(xiàn)和預(yù)警。本文通過分析和對比GNSS 和InSAR 在邊坡變形監(jiān)測方面的優(yōu)缺點(diǎn)，并在雅西高速瓦廠坪1 號大橋搶險工程中融合應(yīng)用GNSS 和InSAR 監(jiān)測，得到如下結(jié)論與展望：

其一，GNSS 在監(jiān)測瓦廠坪山體變形量和及時預(yù)警方面取得了良好效果，InSAR 在監(jiān)測瓦廠坪山體變形范圍及變形發(fā)生時間方面取得了良好效果，兩種方法得出的變形特征和變形趨勢一致,為明確變形原因提供了重要依據(jù)。

其二，GNSS 監(jiān)測精度更高，實(shí)時采集數(shù)據(jù)，便于及時預(yù)警，InSAR 覆蓋面積廣大，且可以回溯險情發(fā)生之前的變形，兩種方法各有優(yōu)勢。

其三，GNSS 和InSAR 進(jìn)行融合，既能掌握山體短時變形速度；也能明確長時間變形趨勢，了解邊坡變形演變的全過程；既能對山體嚴(yán)重變形的局部進(jìn)行監(jiān)測；也能對整條路的邊坡進(jìn)行監(jiān)測，同時兩種監(jiān)測結(jié)果互相佐證，優(yōu)化GNSS 點(diǎn)位布置，優(yōu)化衛(wèi)星選擇。

其四，隨著GNSS、InSAR 以及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、云存儲、AI、BIM 等技術(shù)高速發(fā)展，傳統(tǒng)的手動、靜態(tài)監(jiān)測技術(shù)向自動、實(shí)時、非接觸的新技術(shù)發(fā)展；單一監(jiān)測手段向不同維度、不同尺度的多種技術(shù)手段集成和融合應(yīng)用發(fā)展已成趨勢，未來邊坡監(jiān)測和預(yù)警相關(guān)技術(shù)將會變得更加便捷、高效。