時(shí)序InSAR技術(shù)在太原地鐵沿線形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

樊小潔 王亮亮

(1. 山西智杰人力資源管理咨詢服務(wù)有限公司, 山西 太原 030021; 2. 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

0 引言

太原市目前正在大力發(fā)展城市軌道交通建設(shè),快速發(fā)展的地下工程項(xiàng)目建成在改善民生工程與提升公共服務(wù)能力的同時(shí),也可能帶來地面沉降、污染地下水、建筑物傾斜甚至倒塌等一系列負(fù)面影響。其中，地面沉降是目前世界各大城市的一個(gè)主要工程地質(zhì)問題,受地下水開采、城市建設(shè)等因素的影響,具有物理變化較為緩慢、時(shí)間跨度較長(zhǎng)的特點(diǎn)。地面沉降持續(xù)發(fā)展會(huì)對(duì)地基穩(wěn)定性造成破壞[1],危害建筑物、地下管道、軌道交通運(yùn)輸?shù)陌踩?制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。因此地鐵沿線地面沉降觀測(cè)在保障城市發(fā)展安全性上具有重要意義。

傳統(tǒng)的地面沉降監(jiān)測(cè)主要利用高精度水準(zhǔn)測(cè)量、全球定位系統(tǒng)技術(shù)(global positioning system,GPS)進(jìn)行,這兩種傳統(tǒng)的大地測(cè)量方法雖具有較高精度[2],卻存在只能得到點(diǎn)目標(biāo)形變量的不足[3],并且測(cè)量周期長(zhǎng)、耗費(fèi)人力物力嚴(yán)重、空間分辨率相對(duì)較大[4]。對(duì)于大范圍的沉降監(jiān)測(cè)需求,合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(differential interferometric synthetic aperture rradar,D-InSAR)因其全天時(shí)、全天候、高精度的特點(diǎn)更為合適[5-7]。D-InSAR利用引入的外部數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)去除干涉合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar interferometry,InSAR)所獲取的干涉圖中的地形相位,通過對(duì)相位信息的解纏和反演得到真實(shí)形變值。利用D-InSAR技術(shù)所獲得的監(jiān)測(cè)精度仍受時(shí)間失相干、空間失相干、大氣延遲誤差等因素的影響[8]。時(shí)序InSAR技術(shù)通過對(duì)同一區(qū)域多個(gè)時(shí)相的SAR影像的分析,在獲取地面形變信息時(shí)可有效降低時(shí)空失相干及大氣相位延遲問題,帶來形變測(cè)量精度的大幅度提升[9-10]。常用的InSAR處理的新技術(shù)方法包括永久散射體(permanent scatterers,PS)技術(shù)、小基線集(small baseline subset,SBAS)技術(shù)、人工角反射器(corner reflector,CR)、相干目標(biāo)(cross track,CT)方法等。陳慶華等人[11]利用PS-InSAR技術(shù)對(duì)長(zhǎng)春市區(qū)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)最終確定了重點(diǎn)沉降區(qū)域。時(shí)序InSAR技術(shù)廣泛用于城市地面形變監(jiān)測(cè)。2020年馮小蔓等人[12]利用PS-InSAR方法監(jiān)測(cè)太原市城區(qū)地面沉降情況,所得監(jiān)測(cè)結(jié)果可為實(shí)際監(jiān)測(cè)與管理提供理論依據(jù)與參考,結(jié)果顯示太原市存在5個(gè)主要沉降區(qū)域,并且以小店區(qū)地面沉降最為嚴(yán)重。Lanari R等[13]利用SBAS-InSAR方法分析墨西哥的地表沉降情況并得到形變速率。羅鋮[14]利用SBAS-InSAR方法分析西安地面沉降情況,并將其與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果的一致性驗(yàn)證了SBAS-InSAR監(jiān)測(cè)城市地面沉降的可行性。2021年陳安平等人[15]利用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)福州地鐵建設(shè)期間地表形變結(jié)果進(jìn)行分析。2019年陳志軒等人[16]利用SBAS-InSAR對(duì)南昌市運(yùn)營(yíng)中地鐵線進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè),并以此推斷沉降發(fā)生的主要原因。以上文獻(xiàn)均已證明時(shí)序InSAR技術(shù)在城市形變監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的可行性與可靠性。

針對(duì)太原市首次建成城市地鐵線路,對(duì)沿線進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)在保障沿線安全、規(guī)避沿線安全風(fēng)險(xiǎn)并為后續(xù)其余地鐵線路建設(shè)提供重要經(jīng)驗(yàn)參考,本文利用2020—2021年覆蓋地鐵二號(hào)線沿線的20景Sentinel-1A影像,通過PS-InSAR和SBAS-InSAR兩種時(shí)序InSAR方法對(duì)太原市運(yùn)營(yíng)中的地鐵二號(hào)線一期工程沿線進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè),通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲取地鐵沿線沉降的誘因。

1 技術(shù)原理

1.1 PS-InSAR技術(shù)原理

PS-InSAR技術(shù)的基本原理[17]是利用N+1景覆蓋研究區(qū)域的不同時(shí)段的影像數(shù)據(jù),綜合考慮多普勒中心頻率、時(shí)間基線、空間基線參數(shù)的影響,選取1景影像作為參考影像(主影像),引入外部DEM數(shù)據(jù),其余N景分別與主影像精確配準(zhǔn)并進(jìn)行干涉處理,得到N個(gè)干涉對(duì)。每個(gè)干涉對(duì)i的任一像元x的殘余相位φre,x,i為

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式中,φre,x,i為每個(gè)干涉對(duì)任一像元的殘余相位;φdef,x,i為真實(shí)地表形變相位;φtopo,x,i為殘余地形相位;φatm,x,i為大氣延遲相位;φorb,x,i為軌道誤差相位;φn,x,i為視角誤差引起的殘余相位及噪聲相位。

經(jīng)過干涉和去地形處理,得到基于永久散射體目標(biāo)的差分干涉相位。利用振幅離散閾值方法獲取永久散射體PS初始候選點(diǎn),通過分析N個(gè)干涉對(duì)的相干圖和強(qiáng)度圖,經(jīng)過迭代回歸獲取相位穩(wěn)定的PS點(diǎn),所選PS點(diǎn)是使得時(shí)間相關(guān)系數(shù)γx值達(dá)最大的結(jié)果,即：

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再經(jīng)網(wǎng)平差,最終得到時(shí)間序列地表沉降信息。

1.2 SBAS-InSAR技術(shù)處理

SBAS-InSAR是一種基于多主影像的InSAR時(shí)間序列方法,提取地表形變信息時(shí)只利用時(shí)空基線較短的干涉對(duì)。首先利用N+1景覆蓋研究區(qū)的SAR影像選擇主影像計(jì)算時(shí)間空間基線,并自由組合時(shí)空基線較短的主從影像對(duì)數(shù)據(jù),利用恰當(dāng)?shù)臅r(shí)空基線閾值選取干涉對(duì)。第k幅干涉圖中相位信息δφk(x,r)如式(3)所示。

(3)

忽略殘余地形、大氣、噪聲的影響,公式可簡(jiǎn)化為

(4)

之后進(jìn)行差分干涉處理并相位解纏、濾波,再對(duì)解纏后相位采用最小二乘法或者奇異值分解法進(jìn)行形變參數(shù)估計(jì),經(jīng)數(shù)據(jù)反演和時(shí)空濾波后獲取地表沉降信息。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)源

太原市地處山西省中部、晉中盆地北部地區(qū),位于111°30′E～113°09′E,37°27′N～38°25′N之間。2006年首次提出建設(shè)太原地鐵,2013年開工建設(shè)太原地鐵2號(hào)線一期工程(圖1),該線路已于2020年12月開通運(yùn)營(yíng),北起尖草坪區(qū)尖草坪站,南至小店區(qū)西橋站,全長(zhǎng)23.65 km。

圖1 研究區(qū)范圍及地鐵線路圖

本次研究選取20景覆蓋太原市的Sentinel-1A影像為數(shù)據(jù)源,時(shí)間跨度為2020年6月7日至2021年11月29日,共計(jì)540 d。影像的極化方式為垂直發(fā)射垂直接收(vertical transmit,vertical receive;VV),數(shù)據(jù)成像模式為干涉寬幅(interference width,IW),數(shù)據(jù)類型為單視復(fù)數(shù)圖像(single look complex image,SLC),方位向空間分辨率為5 m,距離向空間分辨率為20 m,通過AUX_POEORB精密軌道星歷文件對(duì)其進(jìn)行精密修正。選取覆蓋太原市分辨率為30 m的航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命(shuttle radar topography mission,SRTM) DEM數(shù)據(jù)作為DEM參考數(shù)據(jù)。由于1景Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)量太大且研究區(qū)剛好位于同軌道相鄰兩景數(shù)據(jù)中間,在處理前對(duì)同軌道相鄰兩景數(shù)據(jù)分別進(jìn)行鑲嵌與裁剪工作。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1PS-InSAR處理流程

利用PS-InSAR技術(shù)對(duì)太原地鐵二號(hào)線一期段形變監(jiān)測(cè)的處理流程具體為：

(1)生成連接圖。選取20210214時(shí)相獲取的SAR影像作為公共主影像,將其余19景影像作為從影像分別與主影像配準(zhǔn)并進(jìn)行干涉處理,PS-InSAR共獲取到19個(gè)有效干涉對(duì)。

(2)選取PS點(diǎn)。引入SRTM 30 m的DEM數(shù)據(jù)去除地形相位,后根據(jù)獲得的平均強(qiáng)度圖和相干性圖,使用相關(guān)系數(shù)閾值和振幅離差指數(shù)(相干性閾值設(shè)為0.75,振幅離差指數(shù)設(shè)為3.2)來選出在時(shí)相上具有相似、較大振幅的像元獲取可靠的PS點(diǎn)。在與分辨率為1 m的遙感影像疊加后發(fā)現(xiàn)所選取的PS點(diǎn)大多位于城市居民區(qū)域、建筑物、道路等穩(wěn)定散射體上。

(3)模型反演與地理編碼。第一次模型反演得到沉降速率和殘余地形相位數(shù)據(jù)。第二次模型反演用經(jīng)去平地效果的干涉圖估算大氣相位并去除,經(jīng)擬合得到各PS點(diǎn)平均形變速率和累計(jì)沉降量,并進(jìn)行地理編碼將結(jié)果轉(zhuǎn)換至地理坐標(biāo)系下,得到最終形變結(jié)果,如圖2(a)所示。

2.2.2SBAS-InSAR處理流程

利用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)太原地鐵二號(hào)線一期段形變監(jiān)測(cè)的處理流程具體為：

(1)生成連接圖。選取20210214時(shí)相影像作為超級(jí)主影像,其余影像作為從影像與其配準(zhǔn),去除與超級(jí)主影像孤立的像對(duì),SBAS-InSAR得到108個(gè)干涉像對(duì)。

(2)差分干涉。采用SRTM 30 m的DEM數(shù)據(jù)去除平地相位、地形相位,完成生成相干性,去平、濾波和相位解纏,采用Goldstein自適應(yīng)濾波方法。

(3)軌道精煉和重去平。估算和去除在相位解纏后殘余的恒定相位及解纏后的相位坡道,并完成重去平。

(4)模型反演與地理編碼。第一次反演估算得到形變速率和殘余地形;第二次反演在第一次反演基礎(chǔ)上計(jì)算時(shí)間序列上的位移,估算和去除大氣相位。將結(jié)果轉(zhuǎn)換至地理坐標(biāo)系下,得到最終形變結(jié)果,如圖2(b)所示。

(a)PS-InSAR形變速率結(jié)果

(b)SBAS-InSAR形變速率結(jié)果圖2 監(jiān)測(cè)結(jié)果(底圖為太原市1m分辨率遙感影像)

3 結(jié)果分析

圖2(a)、圖(b)分別是利用PS-InSAR、SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)太原市地鐵二號(hào)線一期工程段進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)所得的沉降速率結(jié)果,其中正值為地面抬升,負(fù)值代表地面沉降?？芍涸谡麄€(gè)研究區(qū)范圍中,抬升區(qū)域主要在二號(hào)線澗河站至?xí)x陽(yáng)街站段,最大抬升速率為22mm/a;沉降區(qū)域主要在二號(hào)線晉陽(yáng)街站點(diǎn)以南至線路終點(diǎn)西橋站,小店區(qū)范圍內(nèi)的電子西街站、康寧街站、化章西街站、西橋站周邊沉降速率在-38～-12 mm/a;澗河站往北至尖草坪站附近有不太嚴(yán)重的沉降,最大沉降速率為-7 mm/a。從圖2(a)、圖(b)的PS-InSAR、SBAS-InSAR的整體形變結(jié)果可以看出基于這兩種不同的時(shí)序InSAR方法所得的形變結(jié)果比較一致,發(fā)生沉降、抬升的重點(diǎn)區(qū)域分布范圍也趨于吻合,有高度一致性。

3.1 地面沉降分析

為了對(duì)兩種時(shí)序分析方法所得形變結(jié)果進(jìn)行直觀比較,假設(shè)最初的2020年6月7日形變量為0,以此作為參照基準(zhǔn),選取研究區(qū)內(nèi)最明顯的三個(gè)沉降漏斗中心 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 分別進(jìn)行形變分析,并繪制出各中心特征點(diǎn)的形變時(shí)序曲線圖(如圖3所示),從圖中可知,3個(gè)特征中心的形變情況呈現(xiàn)非線性形變特點(diǎn)。

(a)I點(diǎn)形變

(b)II點(diǎn)形變

(c)III點(diǎn)形變圖3 沉降中心形變時(shí)序曲線

Ⅰ點(diǎn)位于康寧街站南部富康街晉陽(yáng)紫城附近,沉降速率約為13.6 mm/a。由圖3(a)可見,2020年6月7日至2021年11月29日整體呈不規(guī)則的緩慢下降趨勢(shì);期間從2020年7月1日至8月18日、2020年11月22日至12月20日有短暫的地面抬升現(xiàn)象;從2020年8月18日到10月29日、2020年11月22日至2021年10月12日地面呈現(xiàn)相對(duì)迅速地下沉趨勢(shì)后趨于穩(wěn)定。

Ⅱ點(diǎn)位于化章西街站南部、太原市疾控預(yù)防控制中心東部,沉降速率約為20.8 mm/a,由圖3(b)可知,從2020年6月7日至7月1日、2020年9月11日至10月17日有輕微抬升現(xiàn)象;從2020年7月1日至9月11日、2020年10月17日至2021年11月29日地面持續(xù)下沉后趨于穩(wěn)定。從形變曲線可看出與Ⅰ點(diǎn)曲線相似。

Ⅲ點(diǎn)位于西橋站東南部太原警官職業(yè)學(xué)院附近,沉降速率約為30 mm/a。由圖3(c)可見,2020年9月11日至11月29日、2020年11月22日至12月16日有輕微短暫抬升,Ⅲ點(diǎn)整體呈下降趨勢(shì)后趨于穩(wěn)定。

由分析可知,利用PS-InSAR和SBAS-InSAR兩種不同時(shí)序分析方法所得的結(jié)果在具體量級(jí)上有細(xì)小差異。再對(duì)3個(gè)沉降區(qū) Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 沉降中心分別利用兩種時(shí)序分析法獲得的地面形變時(shí)序監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析,得到各沉降區(qū)中心相關(guān)系數(shù)為0.928、0.905和0.944,均方根誤差分別為5.15、4.27和5.27 mm。由此可認(rèn)為在沉降分析結(jié)果上具有較高的一致性與可靠性。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果定性分析

太原地鐵二號(hào)線沿線地面形變沉降嚴(yán)重區(qū)域在小店區(qū)范圍內(nèi),以西橋站附近沉降最為嚴(yán)重,這一現(xiàn)象與近年來小店區(qū)的大規(guī)模快速建設(shè)緊密相關(guān)。大規(guī)模城市建設(shè)過程中對(duì)地下水資源的需求量不斷增大,而且由于水源分布不均造成了局部范圍的地下水抽取嚴(yán)重的情況;同時(shí)城市建設(shè)時(shí)帶來大型工程建筑物對(duì)地基的巨大靜載荷。這些均是引起該區(qū)域地表沉降的重要因素。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分別采用PS-InSAR、SBAS-InSAR兩種時(shí)序InSAR技術(shù),利用20景覆蓋研究區(qū)的Sentinel-1A數(shù)據(jù),對(duì)2020年至2021年的太原市開通運(yùn)營(yíng)的地鐵二號(hào)線沿線進(jìn)行地面形變監(jiān)測(cè),得到了研究區(qū)范圍內(nèi)地面沉降分布情況。結(jié)果表明：①研究區(qū)范圍最大沉降為31.96mm,最大沉降速率為32mm/a。比較明顯的沉降區(qū)域有3個(gè),分別位于康寧街站、化章西街站、西橋站附近,定性分析地表形變?cè)蚺c該區(qū)域大規(guī)?？焖俪鞘薪ㄔO(shè)相關(guān)。②計(jì)算3個(gè)明顯沉降區(qū)域 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 中心所得PS-InSAR、SBAS-InSAR的形變結(jié)果的相關(guān)系數(shù),均大于0.9,均方根誤差在4～6 mm,證明了兩種時(shí)序InSAR方法所得形變結(jié)果具有較高的一致性。

太原市城市軌道交通建設(shè)工程正有序開展,二期規(guī)劃(2021—2026年)繼續(xù)推進(jìn),利用時(shí)序InSAR技術(shù)可有效監(jiān)測(cè)沿線地面形變情況。該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用對(duì)于有效減輕甚至避免相關(guān)危害方面有重要參考意義。在后續(xù)研究中可結(jié)合已有水準(zhǔn)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù),使用更長(zhǎng)時(shí)間序列的SAR影像來進(jìn)一步提升形變監(jiān)測(cè)精度,并綜合更多方面的數(shù)據(jù)與知識(shí)分析獲取更全面的地面形變的原因。