DInSAR沉降監測技術在鐵路勘察設計中的應用

高文峰，甘俊，王長進

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

DInSAR沉降監測技術在鐵路勘察設計中的應用

高文峰，甘俊，王長進

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

針對當前鐵路勘察設計中面臨鐵路沿線地表區域歷史沉降監測資料缺失、調查困難的問題，該文引入了合成孔徑雷達差分干涉測量(DInSAR)技術對鐵路勘察設計階段區域沉降進行監測；結合鐵路勘察設計對地表區域沉降需求特點，采用常規差分DInSAR和小基線集(SBAS)技術方案對鐵路沿線進行區域沉降監測，并基于不同方案開展了相應實驗。實驗表明：利用常規差分干涉測量和基于時序的差分干涉測量方法，能夠有效地監測到鐵路沿線的地表區域沉降范圍、沉降量和沉降速率，基于時序的差分干涉測量能夠提供更加準確的監測結果，為鐵路方案穩定性提供準確的區域沉降資料。

雷達差分干涉測量；小基線集；沉降監測；勘察設計；區域沉降

0 引 言

自2008年我國第一條高速鐵路——京津城際開通運營以來，截止目前，我國運營的高速鐵路里程已經超過10000km，居世界第一，而依據我國地面沉降現狀，多條運營中的高鐵均過境于較為典型的地面沉降區[1-3]，存在有不同程度的區域沉降和線上沉降。例如：據現有高鐵沉降監測資料顯示，京津城際、京滬高鐵等在天津地區的個別段落具有不同程度的沉降現象。而地表沉降會嚴重影響鐵路運營的安全，一旦運營期間發生了嚴重的沉降，后期的維護成本和維修難度都非常高，且會嚴重影響高鐵的運營安全。另外，高等級測量控制點作為高鐵勘察設計、施工建設和運營維護的基礎，也必須保證其穩定性，盡量避免布設于地面沉降漏斗中心。為了避免高鐵在運營期發生(過大)沉降以及避免控制測量點位布設于地面沉降漏斗中，最有效的方法之一就是在勘察設計階段發現地表的沉降漏斗，避免設計方案從沉降漏斗中穿過或者提前做好防護措施，測量控制點選擇時也能有效避開沉降漏斗區域。

雷達干涉測量(Synthetic Aperture Radar Interferometry，InSAR)技術提供了一種全新的地表形變監測方法，該方法可以獲取大范圍、厘米級精度的地表形變信息，在地震、火山、冰川運動、城市地面沉降等監測方面應用廣泛[4-5]。以Ferretti等為代表提出的永久散射體雷達差分干涉技術(Persistant Scatters InSAR，PSI)測量[6]，使DInSAR觀測微小形變的精度和可靠性得到極大提高。近年來，隨著角反射器技術(Corner Reflector，CR)、短基線子集技術(Small Bases Subset，SBAS)、永久散射體技術(Persistant Scatters，PS)的不斷發展和應用，同時伴隨著高分辨率合成孔徑雷達衛星的發射以及商業處理軟件的不斷發展，使得合成孔徑雷達技術的應用越來越廣泛。目前，DInSAR技術在京津地區、長三角地區等地面沉降監測應用中取得了良好的效果[7-9]。王志勇等基于DInSAR技術對礦區沉降進行了精細化監測與分析[11]，其監測結果達到了厘米級[10]。在鐵路工程應用中，現有的研究主要集中在DInSAR區域沉降信息獲取上，對于形變信息的后續精細化分析以及與工程結合應用的相關研究不足[11]，本文結合鐵路勘察設計階段對沉降監測的要求，提出DInSAR技術在鐵路勘察設計中的應用方案，并以實驗論證分析其應用可行性。

1 DInSAR相對傳統沉降監測方法的優勢

相對于傳統水準、GPS、靜力水準儀等沉降監測方法，DInSAR沉降監測技術具有全天時、全天候、高形變敏感度、高時空分辨率等優勢，彌補了已有沉降監測方法應用的不足，主要表現在以下3個方面：

非接觸性。通過微波遙感衛星獲取數據，避免了傳統監測方法需要現場測量，甚至上線作業的問題，避開了測量與運營之間的矛盾，將野外絕大部分工作轉移到室內完成。

區域連續性。采用DInSAR的方法是對衛星影像覆蓋的整個區域進行處理，能夠得到整個區域內連續的沉降信息，相對于傳統點狀沉降監測結果，更容易找出沉降源并對沉降原因進行綜合分析。

歷史回溯性。利用合成孔徑雷達衛星的存檔歷史數據，可以對特定區域的歷史沉降信息進行監測并對未來沉降趨勢進行預測，這對鐵路勘察設計中對不良地質的判斷以及鐵路方案的選擇具有重要的作用。

2 基于DInSAR技術的鐵路勘察設計沉降監測方案

如上所述，將DInSAR沉降監測技術應用于鐵路勘察設計中，可對鐵路沿線數公里之內的范圍進行區域沉降監測，以確定沉降范圍、沉降量及變化趨勢，為方案選擇和制定預防沉降措施提供依據。根據目前DInSAR技術的發展現狀，主要有兩種DInSAR沉降監測方案可以應用與鐵路勘察設計中，具體方案的選擇，需要根據項目需要、存檔數據、工期及經費情況綜合選擇。

2.1 常規DInSAR差分干涉測量方案

當研究區域有效SAR數據較少時，采用常規DInSAR進行監測，這種方法只需少量SAR數據，保證有合理的形變干涉對即可，主要步驟包括：①數據分析，綜合考慮工程需求、數據成本、數據存檔以及數據組合質量等因素，選擇性價比最高的SAR數據，構建最優形變干涉像對和地形干涉像對；②數據處理，按照常規差分干涉處理流程，完成基礎干涉處理和形變量計算；③成果分析，根據處理結果劃定沉降漏斗范圍、漏斗中心沉降與邊緣沉降量差異等指標；④工程應用，結合既有地質、沉降資料，進行實地踏勘調查，綜合分析重點漏斗區沉降原因，提出相關建議，最終形成應用報告輔助勘察設計應用。

以最常用的二軌法為例，DInSAR技術沉降監測的應用流程如圖1所示。

圖1 二軌法DInSAR技術在鐵路勘察設計中的應用流程

常規DInSAR差分干涉測量受時空失相關以及大氣效應影響較大，監測結果精度一般為厘米級，主要用于定性分析，滿足對采空區、滑坡、地震等沉降較為劇烈的地質災害的形變監測，基于常規DInSAR的沉降監測方案在勘察設計前期用于確定沉降漏斗范圍和歷史沉降速率，輔助優化方案。

2.2 基于時序InSAR差分干涉測量方案

當沉降監測區域內收集的有效SAR數據較多時(一般不少于20景)，或需要長時間段連續的沉降監測時，需要采用基于時序InSAR(例如：PSInSAR、SBAS InSAR)的方法進行沉降監測。以PSInSAR方法為例，通過大量不同周期的SAR數據構建時序序列數據集，從序列集中提取出穩定的(或者緩慢變化的)的PS點作為觀測點，利用濾波算法剔除PS點中的沉降殘差點，采用合理的插值算法來獲取監測區域內任意位置處的沉降速率及累計沉降量，然后通過成果分析和解譯，編制應用報告來輔助工程應用。PSInSAR的數據處理及應用流程如圖2所示。

圖2 PSInSAR技術在鐵路勘察設計中的應用流程

3 實驗研究

3.1 DInSAR沉降監測實驗

(1)數據分析

本實驗區域位于鄭洛線某段，已知該段落存在較多沉降漏斗，利用DInSAR技術準確獲取該范圍內的沉降漏斗的位置、范圍和沉降量，為勘察設計提供依據。經過現場勘察，該段落村莊分布較多，植被和農田覆蓋區比例大，實驗收集了該地區的8景ALOS-PalSAR數據作為此次實驗的數據源，針對收集的SAR數據數量較少的情況，采用常規DInSAR差分干涉測量方案進行實驗。SAR數據的時空基線如表1所示。

表1 鄭洛線ALOS數據時空基線信息

綜合表1分析，選擇20100310-20100425像對作為形變對，使用SRTM作為外部DEM參考，采用GAMMA軟件按照二軌差分進行形變監測處理。

(2)監測結果分析

對形變結果進行地理編碼，以每2cm為單個條紋形變量得到形變量圖，結合鐵路線位走向進行分析，發現該區域存在諸多條紋突變區，DInSAR的結果說明該實驗段落在2010年3月到4月的兩個月間發生了形變。

以聚類方式對形變區進行歸類，發現其主要分布在5個大區域內，如圖3所示。換算成具體形變量可以發現，各個區域所發生形變的程度是不一樣的，其中1號、2號、3號區域發生形變比較大，1號區域內其最大沉降量甚至達到10cm。設計方案從2號沉降區邊緣穿過，需要引起設計注意。

圖3 鄭洛線DInSAR差分干涉結果

現場調查與DInSAR方法判斷的沉降量、沉降范圍吻合率達到95%以上，這充分說明該方法在鐵路勘察設計中沉降監測的有效性和正確性。

3.2 基于時序InSAR的沉降監測實驗

實驗區域位于陽(泉)大(寨)鐵路沿線，該鐵路線位途徑大量煤礦采空區，其特點為煤礦采空區密度高、數量龐大、分布區域不一、采空區大小不固定。由于大量煤礦于20世紀80年中期開始大量開采的，其中部分小型煤礦在90年代初期已經關閉，經變遷后這些采空區表面已經或為植被覆蓋，或成為其他農業用地等，難以確定定位，同時又缺少實測數據和記錄。需要利用存檔的InSAR數據準確獲取當時條件下的沉降區，為定位隱形的采空區提供依據。本試驗區選擇2007年～2011年期間的18景ALOS-PalSAR作為本次沉降檢測的數據源。

(1)數據處理

首先應用連續2D差分方案，通過時空基線指標進行自由配對組合，選取最優主影像，之后輔助粗DEM進行17個組合的2D差分處理，獲取17個組合對應時間段的沉降量圖，在考慮各類誤差因素的基礎上通過比對分析，確定區域概略沉降位置，以及沉降區的演變過程。提取時空基線閾值、相位偏差閾值、振幅離差閾值、信噪比閾值、沉降速率先驗值等經驗參數。

在提取經驗參數的基礎上，采用GAMMA軟件通過時空基線指標進行兩兩自由配對組合，構建小基線差分干涉像對，從中選取49個最優干涉對進行小基線集(SBAS)運算，經過差分干涉處理、結合經驗參數進行誤差相位剔除、沉降反演等，得到最終結果。然后對監測結果進行解譯，確定沉降漏斗邊界、沉降量和沉降速率，疊加設計方案，制作形變解譯圖，如圖5所示。

圖4 陽大線SBAS InSAR沉降監測解譯圖(部分)

(2)結果分析

根據設計專業要求，提取沉降變化速率圖并進行解譯，提取沉降漏斗和大型沉降區范圍，同時基于漏斗邊緣年沉降速率的大小，將沉降漏斗區分為3類：Ⅰ類區域3～5cm/year，Ⅱ類區域5～10cm/year，Ⅲ類區域>10cm/year，在線位4km的緩沖區內，獲取影響線位走向的危險沉降區域。經過分析，共發現Ⅰ類沉降區13處，Ⅱ類沉降區8處，Ⅲ類沉降區4處。在2007年～2011年間，Ⅰ類沉降區整體沉降量<0.3m，II類沉降區整體沉降量<0.5m。在線路方案上需要重點關注的大型沉降區有以下幾個，如表3所示。

表3 重點關注段落

上述4個區域在2007至2011年間整體沉降量都大于0.5m，沉降采空區中心因沉降過大產生失相干，無法準確獲取其沉降量，基于沉降區邊緣差分干涉條紋圖及現場調查結果，推斷中心區域的沉降量在1m以上。

圖5 重點段落沉降檢測分析示意圖

以上重點區域經過現場踏勘調查，均存在或者歷史上存在煤礦開采現象，這為鐵路方案的設計提供了重要的依據，使設計人員鐵路方案比選過程中提前考慮地面沉降帶來的影響并做好預防措施，從而保證設計方案的穩定性。

4 結束語

本文分析了DInSAR沉降監測技術在鐵路勘察設計中的優勢，簡述了DInSAR和PSInSAR技術在鐵路勘察設計中的應用技術方案，并結合兩個工程進行了實驗分析。通過本文的分析及在鐵路勘察設計工程中的實驗結果可以看出：DInSAR技術應用于鐵路區域沉降監測較傳統方法具有明顯的優勢，其區域連續性特點更容易發現沉降漏斗，為鐵路方案的比選提供重要依據；基于時間序列的差分雷達干涉技術能夠探測到更精確的微小形變量，且隨著數據量的積累，其監測可靠性越來越高；現場踏勘目標更明確，具有更少的外業工作量和更高的調查效率。

采用DInSAR進行鐵路沉降監測也存在一定的局限性，一方面鐵路呈現帶狀走向，需要的數據量比較大，需要的區域之內不一定有合適的存檔數據；另外，數據處理軟件比較少，尤其是成熟的國產軟件比較少；再者，目前SAR數據源(尤其是高分辨率SAR數據)費用較高。以上因素在一定程度上限制了DInSAR技術在鐵路勘察設計中的推廣應用。隨著國際社會越來越重視合成孔徑雷達技術的發展和應用，許多國家都開始大力發展和推廣該項技術，近年來，星載SAR平臺日益先進，其數據空間分辨率和數據質量越來越高，重訪周期更短，其相應的存檔數據也越來越多，且其費用呈現明顯的下降趨勢，這些勢必會進一步快速推動DInSAR技術在鐵路勘察設計乃至鐵路運營等不同階段的深入應用。

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Application of DInSAR Technology in Subsidence Monitoring on Railway Survey and Design

GAO Wen-feng，GAN Jun，WANG Chang-jin

(TheThirdRailwaySurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd，Tianjin300142)

To solve the problems of historical subsidence monitoring data deficiency and difficulty of regional subsidence survey for railway survey and design，we use differential synthetic aperture radar interferometry (DInSAR) technique to monitor the regional subsidence in the stage of railway survey and design.According to the demand of railway survey and design on the regional subsidence，both the conventional DInSAR and the small baseline subset (SBAS) techniques were utilized for monitoring the regional subsidence along the railway.The experiments were implemented in terms of different schemes.The results demonstrate that the conventional DInSAR can extract the subsidence area coverage，subsidence magnitudes and subsidence velocities.Further analysis indicates that the multi-temporal DInSAR is able to detect more accurate subsidence results，which can provide appropriate regional subsidence datum for railway planning stability.

DInSAR；SBAS；subsidence monitoring；survey and design；regional subsidence

2014―08―05

高文峰(1976—)，男，本科，研究方向為攝影測量與遙感、機載激光雷達以及DInSAR沉降監測技術在鐵路工程中的應用。

E-mail：gaowenfeng@tsdig.com；910838115@qq.com

10.3969/j.issn.1000-3177.2015.05.013

P237

A

1000-3177(2015)141-0083-05