基于TSInSAR技術(shù)的鐵路線路沉降監(jiān)測

姚京川，郭繼亮，簡國輝1，，袁慕策1，，馮楠1，，鄭佳怡1，

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.鐵科檢測有限公司，北京 100081）

0 引言

近年來，我國鐵路建設(shè)發(fā)展迅速，高速鐵路運(yùn)營里程穩(wěn)步增長，截至2021年底，我國高速鐵路運(yùn)營里程超過4萬km，居世界第一。在此背景下，鐵路安全運(yùn)營問題不容忽視。高速鐵路對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的形位要求極高，及時(shí)獲取基礎(chǔ)設(shè)施的形位信息，高效、準(zhǔn)確地掌握鐵路線路沉降情況，對(duì)于鐵路安全運(yùn)營具有重要意義。

目前，鐵路線路沉降監(jiān)測的常規(guī)方法包括路基沉降板法、變形觀測樁法、沉降水杯法，以及路基、橋梁通用的利用電子水準(zhǔn)儀等高精度儀器的高程測量法［1］。上述方法對(duì)單點(diǎn)的測量精度高，但存在成本高、效率低、無法全天候監(jiān)測等缺點(diǎn)；而水準(zhǔn)測量受人工因素影響較大，多用于局部沉降監(jiān)測，無法實(shí)現(xiàn)針對(duì)鐵路線路的大范圍、全覆蓋沉降監(jiān)測；另外，由于高速鐵路的運(yùn)營維護(hù)需在天窗期開展，大大限制了多種監(jiān)測方法的適用范圍。因此，亟需非接觸式、不影響行車的高效測量手段，用于完成運(yùn)營鐵路線路的沉降監(jiān)測工作。

隨著遙感技術(shù)的高速發(fā)展，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行鐵路線路及其周邊區(qū)域的動(dòng)態(tài)觀測已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并逐漸在鐵路行業(yè)推廣應(yīng)用［2］。其中，干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）成為獲取鐵路地表形變信息的有效途徑，在北京、天津、鄭州、重慶等地區(qū)的鐵路線路，采用InSAR技術(shù)的沉降監(jiān)測、結(jié)果分析工作已有較多開展［3-7］。

1 時(shí)序干涉合成孔徑雷達(dá)技術(shù)

時(shí)序干涉合成孔徑雷達(dá)（Time-Series Interferometric Synthetic Aperture Radar，TSInSAR）測量技術(shù)是一種基于時(shí)間序列SAR成像發(fā)展出的新興遙感技術(shù)，該技術(shù)利用同一地區(qū)的多時(shí)相SAR數(shù)據(jù)（十幾景～數(shù)十景），提取在影像中長期穩(wěn)定的高相干目標(biāo)，即永久散射體（Persistent Scatterer，PS），通過對(duì)PS點(diǎn)上形變信號(hào)、大氣信號(hào)、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）誤差相位等的時(shí)空域分析與處理，分離和解算出地表形變信息［8］。TSInSAR技術(shù)的出現(xiàn)，晚于合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR）技術(shù)、InSAR技術(shù)、差分干涉合成孔徑雷達(dá)（Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar，DInSAR）技術(shù)［9］，該技術(shù)繼承了SAR全天時(shí)、全天候、大范圍等優(yōu)點(diǎn)，并克服了DInSAR［10-11］技術(shù)受時(shí)空失相干、大氣效應(yīng)等影響較大的難題，進(jìn)一步提升了測量精度（可達(dá)毫米級(jí)）。TSInSAR技術(shù)的監(jiān)測周期取決于衛(wèi)星重訪時(shí)間，監(jiān)測范圍取決于衛(wèi)星覆蓋范圍（幾十至幾百平方千米）。按照干涉圖生成方式劃分，TSInSAR技術(shù)可分為單參考影像（即只采用1副影像為主影像）和多參考影像。采用單參考影像模式進(jìn)行鐵路線路沉降監(jiān)測，其主要方法包括：Persistent Scatterer Interferometry（PSI）［12］、Persistent Scatterer Pair Interferometry（PSP）［13］、Interferometric Point Target Analysis（IPTA）［14］、SqueeSARTM［15］、Joint-Scatterer InSAR（JSInSAR）［16］等。TSInSAR技術(shù)處理流程見圖1。

圖1 TSInSAR技術(shù)處理流程

對(duì)TSInSAR技術(shù)處理流程進(jìn)行詳細(xì)說明如下：

（1）為了得到質(zhì)量較高的干涉相位，在干涉處理前，需選取1幅時(shí)空分布最優(yōu)的圖像，作為干涉配準(zhǔn)的公共主圖像。對(duì)同一地區(qū)獲取的N幅SAR圖像，依據(jù)SAR圖像的時(shí)間基線、空間基線、多普勒中心頻率構(gòu)成的三維空間分布圖，選擇1幅合適的SAR圖像作為主圖像，其他圖像作為輔圖像，組合成N-1幅干涉圖。主圖像的選取涉及到后續(xù)所形成干涉對(duì)的相關(guān)性，其時(shí)間基線、有效空間基線、多普勒質(zhì)心頻率差是影響干涉相關(guān)的重要因素。

（2）根據(jù)相干系數(shù)閾值法或幅度閾值法進(jìn)行PS點(diǎn)選擇。頻譜相干系數(shù)下限閾值默認(rèn)為0.33，幅度下限閾值默認(rèn)為0.50。

（3）利用參考DEM和精確的軌道數(shù)據(jù)，去除地形相位生成差分干涉相位圖。本次處理工作使用空間分辨率12.5 m的ALOS DEM。

（4）逐幅進(jìn)行干涉圖的相位解纏，該過程一般選擇最小費(fèi)用流算法完成。

（5）在N-1幅干涉圖的所有PS點(diǎn)上建立平均形變速率、高程誤差、大氣相位參數(shù)、差分相位的模型方程組，根據(jù)時(shí)序相干系數(shù)最小化原則，進(jìn)行形變速率和高程誤差的初始求解。

（6）通過迭代估計(jì)，求解線性形變速率、高程誤差、大氣影響相位的初始估計(jì)。通過一系列擬合、迭代、平差處理，進(jìn)一步得到各PS點(diǎn)的時(shí)序線性沉降速率及參考DEM的高程修正量。從差分相位上減去形變相位和高程誤差相位后，得到殘余相位?？紤]大氣影響相位在時(shí)間序列上是隨機(jī)的、是高頻信號(hào)，而在空間分布上是平滑的、是低通信號(hào)；而非線性形變相位在時(shí)間序列上是低頻信號(hào)。為了進(jìn)行大氣相位估計(jì)，可通過空間和時(shí)間的濾波完成。該過程中，空間域一般采用普通均值濾波，時(shí)間域一般采用三角加權(quán)均值濾波。

（7）從原差分相位中去除平均形變相位、高程誤差和大氣相位后的殘余相位，可進(jìn)一步提取更多的PS點(diǎn)。重復(fù)上述步驟，重新估計(jì)DEM誤差和形變速度，進(jìn)一步提高估計(jì)精度。最后，將PS線性形變分量和非線性形變分量進(jìn)行疊加，獲取完整的形變值。在多次迭代過程中，一般當(dāng)形變速率絕對(duì)值＜2 mm/年時(shí)，迭代完成。

（8）對(duì)于獲得地理編碼后的形變值，如有必要，還可在后續(xù)處理中對(duì)非線性形變和大氣延遲結(jié)果進(jìn)行地理編碼。

（9）精度驗(yàn)證。水準(zhǔn)點(diǎn)、GNSS等的測量結(jié)果穩(wěn)定性和精度較高，在很多研究應(yīng)用中，常將水準(zhǔn)點(diǎn)、GNSS等的測量結(jié)果與TSInSAR的測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證。目前，InSAR技術(shù)的測量精度在多個(gè)行業(yè)中已得到驗(yàn)證，并逐漸作為一種成熟技術(shù)應(yīng)用于形變監(jiān)測。

2 案例分析

選取包含路橋過渡段的某鐵路線路為研究對(duì)象，利用TerraSAR衛(wèi)星獲取的25景SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行TSInSAR處理，得出路橋過渡段的形變監(jiān)測結(jié)果，并與鐵路CPⅢ控制點(diǎn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

2.1 InSAR數(shù)據(jù)

研究采用的數(shù)據(jù)為德國宇航局TerraSAR衛(wèi)星條帶模式的SAR數(shù)據(jù)，分辨率為3 m，ALOS DEM作為參考DEM。該典型路橋過渡段SAR影像見圖2，圖中黃框區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，即包含路橋過渡段的某鐵路線路。SAR數(shù)據(jù)干涉對(duì)成像日期及其對(duì)應(yīng)時(shí)空基線信息見表1，其中以2016年12月19日獲取數(shù)據(jù)為主影像，時(shí)間基線即各數(shù)據(jù)獲取時(shí)刻與主影像之間的時(shí)間間隔。TSInSAR處理數(shù)據(jù)的時(shí)空基線分布見圖3。

圖3 TSInSAR處理數(shù)據(jù)時(shí)空基線分布

表1 SAR數(shù)據(jù)干涉對(duì)成像日期及其對(duì)應(yīng)時(shí)空基線信息

圖2 典型路橋過渡段SAR影像

2.2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

根據(jù)TSInSAR技術(shù)處理流程，對(duì)25景SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取路橋過渡段的沉降速率結(jié)果（見圖4），以掌握該鐵路線路及其周邊的整體形變狀況。

圖4 鐵路線路區(qū)域整體沉降速率結(jié)果

該鐵路線路沿線沉降速率結(jié)果見圖5，圖中各點(diǎn)為TSInSAR處理中提取的PS點(diǎn)，不同顏色代表不同形變量。由圖5可知，該鐵路線路的路橋過渡段存在一定程度沉降。

圖5 鐵路線路沿線沉降速率結(jié)果

為了驗(yàn)證TSInSAR的測量精度，將TSInSAR測量結(jié)果與CPⅢ水準(zhǔn)測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（見圖6），圖中橫坐標(biāo)所示經(jīng)度值間隔為0.005°，代表東西向540 m的空間距離。由圖6可知，兩者整體趨勢一致。其中，在東經(jīng)117.015°附近，2種觀測結(jié)果均出現(xiàn)較大跳變，該處對(duì)應(yīng)于圖5所示路橋過渡段，即提示此處有沉降量突變，后續(xù)應(yīng)引起關(guān)注。由于2種測量方法的沉降量數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)不一致，利用與水準(zhǔn)測量點(diǎn)空間位置最近的TSIn-SAR形變點(diǎn)計(jì)算兩者差值，差值均方根為2.39 mm，顯示出TSInSAR測量與CPⅢ水準(zhǔn)測量有較高的一致性。

圖6 TSInSAR測量結(jié)果與CPⅢ水準(zhǔn)測量結(jié)果對(duì)比

2.3 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

在鐵路線路沉降監(jiān)測中，主要關(guān)注相鄰兩點(diǎn)之間的差異沉降，不均勻的差異沉降會(huì)改變軌道線性，影響鐵路的平順性。因此，考慮利用TSInSAR形變點(diǎn)結(jié)果計(jì)算相鄰點(diǎn)的差異沉降，再進(jìn)行沉降安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。如圖6所示，形變信息為鐵路沿線所有沉降量的集合，為了便于計(jì)算差異沉降，根據(jù)TSInSAR提取的PS點(diǎn)的位置分布信息，以及CPⅢ控制點(diǎn)分布情況，篩選出沿軌道方向規(guī)律分布的PS形變點(diǎn)，然后依次計(jì)算相鄰兩點(diǎn)之間的沉降變化量。此處，綜合考慮鐵路結(jié)構(gòu)的整體性和所用衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分辨率（3 m），用該沉降變化量來衡量差異沉降，并繪制沉降安全評(píng)估圖。利用PS點(diǎn)計(jì)算出InSAR數(shù)據(jù)覆蓋期間差異沉降（見圖7），根據(jù)差異沉降進(jìn)行差異沉降風(fēng)險(xiǎn)性分析，其中紅色表示沉降路段（差異沉降＞5 mm），黃色為隱患路段（3 mm＜差異沉降＜5 mm），綠色為穩(wěn)定路段（差異沉降＜3 mm），圓點(diǎn)為進(jìn)行精度驗(yàn)證采用的CPⅢ控制點(diǎn)位置。從圖中的結(jié)果可以看出，紅色區(qū)域所示的路橋過渡段為需要重點(diǎn)關(guān)注的地面沉降區(qū)域，同時(shí)該區(qū)域不均勻沉降對(duì)軌道平順性產(chǎn)生的影響，需要重點(diǎn)關(guān)注并進(jìn)行進(jìn)一步研究。

圖7 某鐵路差異沉降風(fēng)險(xiǎn)性分析

3 結(jié)束語

在鐵路設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營階段，TSInSAR技術(shù)作為常規(guī)高速鐵路沉降監(jiān)測體系的有效輔助，為高鐵運(yùn)營和安全維護(hù)提供了沉降監(jiān)測的有效手段。通過衛(wèi)星長時(shí)間觀測，并利用已積累的數(shù)據(jù)信息，可快速確定區(qū)域沉降范圍、分析差異沉降地段、發(fā)現(xiàn)新的沉降區(qū)域，還可利用歷史存檔影像數(shù)據(jù)對(duì)沉降區(qū)域進(jìn)行溯源。案例分析表明，高分辨率的InSAR技術(shù)對(duì)路橋過渡段差異沉降具有良好的監(jiān)測效果，TSIn-SAR測量與水準(zhǔn)測量的結(jié)果基本一致，并且可獲得在空間上密度更高的形變信息。通過TSInSAR進(jìn)行鐵路沿線沉降監(jiān)測普查并針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域詳查的工作模式，可減少工作量、降低成本。未來，隨著我國InSAR衛(wèi)星數(shù)量增加、針對(duì)行業(yè)應(yīng)用定制衛(wèi)星的發(fā)展、數(shù)據(jù)的豐富、技術(shù)的更新等，將為鐵路運(yùn)營的立體監(jiān)測提供有力支撐。