多軌道集成PS-InSAR監(jiān)測高速公路沿線地面沉降研究―――以京滬高速公路(北京―河北）為例

張學(xué)東，葛大慶，肖 斌，張 玲，侯妙樂

(1.北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044；2.現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；4.江西核工業(yè)測繪院，江西南昌 330038）

多軌道集成PS-InSAR監(jiān)測高速公路沿線地面沉降研究―――以京滬高速公路(北京―河北）為例

張學(xué)東1，2，葛大慶3，肖 斌4，張 玲3，侯妙樂1

(1.北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044；2.現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；4.江西核工業(yè)測繪院，江西南昌 330038）

一、引 言

近年來，由于中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對地下水資源需求量不斷增加，使原有的地下水沉降漏斗范圍逐漸擴(kuò)大，發(fā)生了區(qū)域性地面沉降災(zāi)害，特別是公路沿線地區(qū)，如公路路基持續(xù)沉降甚至不均勻沉降，公路路線豎向發(fā)生變化，公路結(jié)構(gòu)物和路面間出現(xiàn)明顯豎向位移差異，進(jìn)而導(dǎo)致橋頭跳車等危害，同時造成沿線的地面標(biāo)高失效等。并且，公路、鐵路運(yùn)輸日益繁榮，車流量不斷增大，區(qū)域性地面沉降對線性交通工程的影響將會越來越大。因此，開展公路等線性工程沿線區(qū)域地面沉降監(jiān)測，加強(qiáng)地面沉降治理，已成為保證公路等線性工程正常建設(shè)和運(yùn)營的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作[1-4]。

二、研究方法

1.PS-InSAR技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量(D-InSAR）技術(shù)是以分析合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)影像的相位信息來獲取地表變化的技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，由于受大氣效應(yīng)和去相干的影響，嚴(yán)重地制約了常規(guī)D-InSAR在地表形變監(jiān)測方面的應(yīng)用，尤其對于地面沉降這種緩慢累積形變而言，時間去相關(guān)問題尤為突出。為了克服傳統(tǒng)D-InSAR的局限性，人們提出了永久散射體差分干涉測量(permanent scatterers InSAR，PS-In-SAR）技術(shù)[5-6]，其原理是對永久散射體(permanent scatterers，PS）干涉相位進(jìn)行時間序列分析，根據(jù)各相位分量的時空特征，估算大氣波動、數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM）誤差及噪聲等，并將其從差分干涉相位中逐個分離，最終獲取每個PS的線性和非線性形變速率、大氣延遲量(atmosphere phase screen，APS）及DEM誤差的過程。

2.多軌道集成

公路、鐵路等大型線性工程往往橫跨幾百千米，具有分布范圍廣、不規(guī)則等特點(diǎn)，而常用的ENVISAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)每景覆蓋范圍為100 km×100 km。因此，為了能夠監(jiān)測這些大區(qū)域的地面沉降現(xiàn)象，需要解決數(shù)據(jù)跨軌道的問題。于是人們提出了多軌道集成的思想，其本質(zhì)是將不同軌道下獲取的相干目標(biāo)形變參數(shù)(經(jīng)時序分析得到的地表形變速率、形變量及高程改正等參數(shù)）進(jìn)行準(zhǔn)確拼接[7-8]。拼接過程分為兩步：

第一步是相鄰軌道坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一，建立“主軌道”幾何[7]，其公式表達(dá)為

式中，Δx、Δy分別為主輔影像x、y方向的像對偏移量；p為多項(xiàng)式階數(shù)；a、b為多項(xiàng)式系數(shù)。

第二步是將PS-InSAR估算的參數(shù)聯(lián)合，如地表形變速率、形變量及高程改正等；同時，重疊區(qū)域的多余觀測為不同軌道間地表形變監(jiān)測結(jié)果集成和可靠性檢驗(yàn)提供了必要的聯(lián)系數(shù)據(jù)[7-8]。其公式表達(dá)為

式中，Δvoff為框架之間基準(zhǔn)偏差；vmi為主影像相干目標(biāo)i的形變速率；vsi為輔影像相干目標(biāo)i的形變速率；＾vsi為改正后輔影像相干目標(biāo)形變速率；ˉvi為基準(zhǔn)統(tǒng)一后相干像元i的形變速率；Pmi、Psi分別為主、輔軌道的權(quán)重因子。

三、數(shù)據(jù)處理

1.京滬高速公路介紹

京滬高速公路是中國大陸第一條全線建成高速公路的國道主干線，起點(diǎn)在北京，途經(jīng)天津、河北、山東、江蘇，終點(diǎn)在上海，全長約為1262 km。它是華北經(jīng)濟(jì)區(qū)與長江三角洲經(jīng)濟(jì)區(qū)連接的重要陸上通道，對繁榮華北、華東地區(qū)各省市經(jīng)濟(jì)起著重要的紐帶作用。

2.數(shù)據(jù)處理

本文使用PS-InSAR技術(shù)，借助2008―2010年間獲得的相鄰軌道(Tarck-218和Tarck-447）的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)和SRTM 90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，對京滬公路(北京―河北）沿線區(qū)域地面沉降信息進(jìn)行提取并分析，具體處理過程如下：

1）單軌道沉降信息的生成。根據(jù)PS-InSAR技術(shù)，首先，選擇時間間隔小于2 a和空間基線小于±300 m的像對進(jìn)行合理組合；其次，采用基于振幅離差指數(shù)和點(diǎn)目標(biāo)識別的聯(lián)合估計(jì)方法從單一單視復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)(SLC）和單視復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)集(SLC stack）來識別可靠的相干目標(biāo)[9-10]；最后，通過相干目標(biāo)差分相位的時域特征分析實(shí)現(xiàn)形變參數(shù)的估計(jì)，得到單軌道數(shù)據(jù)的沉降信息。

2）相鄰軌道數(shù)據(jù)的集成。由于公路線路很長，跨越了雷達(dá)數(shù)據(jù)的兩個相鄰軌道，因此，根據(jù)多軌道PS-InSAR集成的方法，首先統(tǒng)一相鄰軌道數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系和參考基準(zhǔn)，然后將相鄰軌道數(shù)據(jù)集成起來(如圖1所示）。

圖1 多軌道(軌道218和447）沉降速率圖

3）公路沿線沉降信息及沉降剖面的提取。為了更好地研究公路沿線區(qū)域受地面沉降影響情況，采用緩沖區(qū)方式成功提取了公路沿線6 km范圍內(nèi)的沉降信息(如圖2所示），然后根據(jù)沉降情況建立了公路沿線區(qū)域的沉降剖面圖(如圖3所示）。

圖2 京滬高速公路(北京―河北）沿線6 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)沉降速率圖

圖3 京滬高速公路(北京―河北）沿線沉降剖面圖

四、結(jié)果分析

根據(jù)京滬高速公路(北京―河北）沿線多軌道地面沉降速率(如圖1所示）、沿線6 km范圍內(nèi)的地面沉降速率(如圖2所示）及地面沉降剖面(如圖3所示），分析發(fā)現(xiàn)，該段存在9個典型沉降中心，沿線6 km范圍內(nèi)最大沉降速率超過82 mm/a，9個典型沉降中心依次為：

1.廊坊沉降中心

據(jù)PS-InSAR監(jiān)測結(jié)果，廊坊市北部地面沉降較嚴(yán)重，公路沿線6 km范圍內(nèi)最大沉降速率為69 mm/a，有逐漸向南發(fā)展的趨勢，其沉降中心如圖4所示。地下水位監(jiān)測資料表明[11]，廊坊沉降中心為典型的單一中心的沉降漏斗，形成原因是長期抽取深層地下水所致。廊坊沉降中心水位已經(jīng)低于臨界水位，雖然近年來略有回升，但地面沉降仍持續(xù)發(fā)展，對于區(qū)內(nèi)的多條線路都有影響，部分路段已出現(xiàn)橋梁開裂等破壞現(xiàn)象，對于京滬公路和京滬鐵路等線路，控制形勢依然嚴(yán)峻，應(yīng)引起高度重視。

圖4 廊坊沉降中心

2.北辰、西青和靜海沉降中心

京滬高速公路在天津市范圍內(nèi)的沉降中心如圖5所示。其中，北辰沉降中心為天津市西北部新發(fā)展起來的沉降漏斗。近年來工農(nóng)業(yè)發(fā)展對地下水需求量不斷增加，地下水開采量逐步增大，導(dǎo)致了北辰沉降中心在公路沿線6 km范圍內(nèi)年最大沉降速率達(dá)到82 mm/a。

圖5 北辰、西青和靜海沉降中心

西青區(qū)沉降帶與河北霸州相連，形成了目前天津西部最大的沉降帶，公路沿線普遍沉降速率為20～60 mm/a。主要沉降中心有獨(dú)流鎮(zhèn)、汊沽港鎮(zhèn)和王慶坨鎮(zhèn)等，最大沉降中心為勝芳鎮(zhèn)，沉降速率超過140 mm/a。

靜海縣沿著京滬高速公路(北京―河北）存在有2個明顯的沉降中心：靜海北部和中部沉降中心。縣城以南往青縣方向，處于快速沉降地區(qū)，沉降速率為50～60 mm/a，其中陳官屯一帶尤為突出。

近年來，天津市的地面沉降已向西青和靜海地區(qū)轉(zhuǎn)移，西青區(qū)地面沉降繼續(xù)向西擴(kuò)展，與霸州沉降帶連為一體，而靜海地區(qū)沉降漏斗不斷增加，逐步向南擴(kuò)展，與青縣逐步連接起來。

3.青縣、滄縣、泊頭和東光沉降中心

京滬高速公路在滄州市境內(nèi)有4個沉降中心，如圖6所示。其中，青縣和滄縣沉降區(qū)呈大范圍的平均沉降；而泊頭和東光為典型的單一沉降漏斗，且不斷擴(kuò)大。整個滄州地區(qū)的地面沉降隨著地下水位的持續(xù)下降而不斷發(fā)展。青縣沉降漏斗在清州鎮(zhèn)為最大，達(dá)到50～60 mm/a。泊頭沉降中心超過60 mm/a，而東光漏斗中心達(dá)到80～90 mm/a，位于縣城北部，該地區(qū)沉降主要為生產(chǎn)生活采水所致。京滬公路經(jīng)過處差異沉降顯著，特別是東光縣城，對線性工程潛在的破壞作用明顯。

圖6 青縣、滄縣、泊頭和東光沉降中心

相關(guān)研究表明[12]，廊坊、天津和滄州地面沉降與地下水位變化均呈指數(shù)關(guān)系，地面沉降略滯后于地下水位變化，并存在明顯的臨界水位。華北平原中東部壓縮層自北向南深度逐漸加大，地層時代則由新變老，而粘性土比例及厚度以天津至滄州段內(nèi)最大。由此決定了地面沉降呈現(xiàn)出天津至滄州段最為嚴(yán)重、向兩側(cè)逐漸減緩的規(guī)律，這給該區(qū)域內(nèi)的公路等線性工程造成了極大的影響和危害。

五、結(jié) 論

本文以多軌道PS-InSAR集成的方法，研究了京滬公路(北京―河北）沿線的地面沉降情況，并得到一些結(jié)論：

1）該方法不僅統(tǒng)一了不同軌道間影像的坐標(biāo)系與參考基準(zhǔn)，而且使跨軌道、多幅影像的大范圍PS-InSAR監(jiān)測成為現(xiàn)實(shí)。

2）確認(rèn)了京滬公路(北京―河北）沿線中的9個沉降中心，分析了沿線6 km范圍內(nèi)的地面沉降情況，結(jié)果與已有研究相吻合[12]。因此，PS-InSAR監(jiān)測結(jié)果可為公路等線性工程的地面沉降控制提供數(shù)據(jù)參考，為保證線性工程的安全運(yùn)營服務(wù)。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)PS-InSAR監(jiān)測結(jié)果的精度，今后將通過收集試驗(yàn)區(qū)GPS或水準(zhǔn)測量等實(shí)測數(shù)據(jù)，來進(jìn)行相互比較和驗(yàn)證。

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Study on Multi-track Integration PS-InSAR Monitoring the Land Subsidence along the Highway——Taking JingHu Highway(Beijing-Hebei）as an Example

ZHANG Xuedong，GE Daqing，XIAO Bin，ZHANG Ling，HOU Miaole

監(jiān)測和治理公路等線性工程沿線地面沉降是保證線性工程正常運(yùn)營的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作。本文以京滬公路為試驗(yàn)區(qū)，基于2008―2010年相鄰軌道的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)，利用多軌道永久散射體差分干涉測量(PS-InSAR）技術(shù)集成方法成功提取了京滬公路(北京―河北）沿線的沉降速率圖和沉降剖面圖。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不僅統(tǒng)一了不同軌道間影像的坐標(biāo)系與參考基準(zhǔn)，而且使跨軌道、多幅影像的大范圍PS-InSAR監(jiān)測成為現(xiàn)實(shí)；同時，確認(rèn)了京滬公路(北京―河北）沿線的9個沉降中心，分析了沿線6 km范圍內(nèi)的地面沉降情況，該結(jié)果與已有研究相吻合。因此，PS-InSAR集成方法豐富了線性工程沿線地面沉降的監(jiān)測手段，可為線性工程的正常運(yùn)營提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

地面沉降；高速公路；多軌道；永久散射體差分干涉測量(PS-InSAR）技術(shù)

P237

B

0494-0911(2014）10-0067-03

2013-08-19

現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(20131204NY）；北京建筑大學(xué)博士基金(00331614025）

張學(xué)東(1979―），男，河北唐山人，講師，從事InSAR、PS-InSAR與TomoSAR技術(shù)及應(yīng)用工作。

張學(xué)東，葛大慶，肖斌，等.多軌道集成PS-InSAR監(jiān)測高速公路沿線地面沉降研究―――以京滬高速公路(北京―河北）為例[J].測繪通報(bào)，2014(10）：67-69.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0331