地基雷達干涉測量技術在城軌交通變形監測中的應用

饒 雄，曹成度，滕煥樂，江利明，周橋立，黃榮剛，高斌斌

（1. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063；2. 大地測量與地球動力學國家重點實驗室、中國科學院測量與地球物理研究所，湖北武漢 430063；3. 北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101）

0 引言

地基 InSAR 是近年來發展起來的一種微變形遠程監測技術，集成了步進頻率連續波或調頻連續波、合成孔徑雷達技術和干涉測量等多種先進技術。該新型監測技術具有全天候、全天時、大范圍、多角度的觀測能力，能夠獲取高精度、高分辨率的形變信息，可對目標區域進行長時間連續自動觀測，其理論形變監測精度可以達到亞毫米級。目前，地基 InSAR 技術在國內外較為成熟，已應用于人工邊坡、大壩、冰川、地表沉降等變形監測，然而，該技術在地鐵施工形變監測方面鮮見。

本文以武漢地鐵 8 號線梨園站施工區域為例，采用地基 InSAR 技術對施工區域進行連續監測，獲取其周邊地面及建筑物的形變場及其形變演變過程，分析地鐵施工對周邊基礎設施的影響程度。

1 監測區概況

監測區為武漢地鐵 8 號線梨園站施工現場，車站采用倒邊法半蓋挖半明挖順筑法進行施工。施工周邊區域有徐東大道、東湖中學、建設銀行、國網大廈等重要基礎設施（圖 1）。該施工區域人流密集、機動車車速較快，傳統地面監測技術難以在高密度的人車途經區域實施大范圍、自動化作業。因此，在該區段地下盾構施工期間，利用地基 InSAR 技術對其地表形變進行全天候、遠距離、實時自動化監測。

圖1 地鐵施工現場

2 監測數據處理與評價

2.1 數據采集

利用地基 InSAR 系統對監測區實施了長達 15 天的連續觀測，監測時段為 2016 年 5 月16 日至 5 月 30 日，期間曾出現暴雨天氣。地基 InSAR 系統安置于中國科學院測量與地球物理研究所樓頂（圖 2），主要觀測參數見表 1。本次觀測共獲取 3 313 景原始雷達數據。

圖2 地基 InSAR 測量系統

表1 InSAR 測量系統主要觀測參數

2.2 數據處理

在數據采集完成后，對原始雷達影像進行處理，包括閾值設置、數據定標、圖像配準、干涉測量、干涉圖濾波、相位解纏、大氣改正等，最終得到地鐵周邊地面及建筑物的形變場。

2.2.1 預處理

（1）選取一部分連續的原始測量數據，設置熱信噪比、估計信噪比、相干系數、相位穩定性等閾值。本次測量中，熱信噪比大于 10 dB，估計信噪比大于 10 dB，相干性大于 0.5，相位穩定性大于 0.3。

（2）利用 IBIS-DV 軟件對選中的雷達數據進行分析，確定合適的定標和聚焦參數，并利用確定的閾值、定標和聚焦參數對所有原始雷達數據進行處理，得到符合雷達干涉處理要求的數據。

2.2.2 干涉處理

對雷達數據進行干涉處理。選擇第一幅影像為主影像，分別與其他影像進行干涉，每 2 景影像的相位共軛相乘便可得到其干涉圖，進而將干涉圖中的相位變化值轉換為目標物的位移量。在此過程中，噪聲導致了干涉相位信噪比的降低，有必要采用均值濾波等方法進行去噪處理。由于噪聲的存在，干涉圖的相位數據以及形變結果都出現不連續、不一致等現象，而濾波后結果顯示，相位和形變結果都具有很好的連續性。

2.2.3 大氣校正

地基 InSAR 監測結果易受大氣擾動和各種噪聲等環境因素的影響，為了減弱這些影響，需要在監測區域選取穩定點作為參考點，對移動目標監測結果進行大氣擾動改正。根據監測區實際地形情況，在地鐵施工區較遠的建筑物上選取 2 個 GCP 點，GCP 時間變化序列主要受溫度變化影響較大，溫度變化劇烈的時間段環境控制點的位移變化也大。因此，采用 GCP 點對形變場中的每個像素進行校正，可得到每個像素點的真實位移，最終得到監測區形變場（視線向）。

2.3 數據質量評價

評價地基 InSAR 數據質量的主要參數為反射強度和相干性。目標區域的信號反射強度值越大，表明目標物的信號反射能力越高，數據質量越好。

圖3 為觀測現場雷達信號反射強度圖，圖中 a（中國建設銀行所在寫字樓）、b（地鐵站施工區）、c（路中間鐵質護欄）、d（國家電網單位圍墻）、e（國家電網辦公樓）、f（國家電網保安室）、g（湖北省電力試驗研究院保安室）、h（湖北省電力試驗研究院辦公樓）和i（湖北省電力工業技術中心）各部分的反射強度達 30 dB 以上，反映了本研究良好的數據質量。

相干性代表目標物在不同時間的信號干涉性能最大值為 1，最小值為 0，相干性越接近于 1 表明相應目標物的信號干涉性能越好。圖 4 反映了監測區域大部分雷達信號相干性均接近于 1，表明了本監測良好的數據質量。

3 監測結果分析

通過對原始雷達影像進行一系列的處理，最終計算得到施工區域周邊地面及建筑物等基礎設施的形變結果及其演變過程。

圖3 觀測現場雷達信號反射強度

圖4 雷達相干性圖

3.1 監測區形變場

根據研究區實際地形情況及其信號反射強度，在距離地鐵施工區較遠的建筑物上選取 2 個 GCP 點（圖 5），經過大氣校正以及相位解纏，并通過各種閾值的設定以及濾波處理，最終得到該滑坡的形變圖 5。X方向為雷達方位向，Y方向為距離向即視線向，從圖中可以看出經過 336 h 的連續監測，監測區域大部分區域累計形變量均在 10 mm以內，表明地面及周圍建筑物相對穩定，地鐵施工對周邊設施影響較小。但是有一個部分（圖中紅色區域）形變較大，最大形變達 30 mm（沿雷達視線向靠近儀器），表明該區域附近受到地鐵施工影響較大，存在較大的形變。

3.2 監測點形變量

圖5 監測區形變場（視線向）

為了具體分析路面及建筑物形變過程，在監測區域選取圖 5 中點 P1、P2、P3、P4 和 P5 分別進行形變量時程分析。圖 6、圖 7 為所選監測點經大氣校正前后的形變時程曲線，可看出經過大氣校正之后，除 P3 之外，所有監測點形變量均在15 mm 以內。

圖6 校正前的監測點形變時程曲線

圖7 校正后的監測點形變時程曲線

（1）P1 形變量為正值，表明 P1 所在的建筑物有遠離雷達的趨勢，但 P1 最終形變累積量趨于 0，且 P1 的變形多為驟變，說明 P1 的形變情況主要受到施工的震動影響，且形變量在 10 mm 范圍內，該建筑物尚處于安全狀態。

（2）P2 位于測地所門口路面，P4 位于東湖中學門口路面，兩者累計形變幾乎為 0，表明路面相對穩定，地鐵施工對其影響較小。

（3）P3 形變累積量達 -30 mm，表明 P3 所處之地有傾倒的趨勢，且該趨勢較其他地方較嚴重，通過現場調查發現，由于修建地鐵，保安室門口路基大部分區域已被挖開，地基損壞嚴重，與地基 InSAR 監測數據一致。

（4）P5 建筑物累計形變 8 mm 左右，有輕微位移，表明地鐵施工一定程度上對建筑物造成了微小的形變。

因此，從整體上看，所有監測點形變趨勢相對穩定，并沒有特別大的跳動，在特大暴雨的影響下，施工周邊區域形變仍未出現異常情況，表明觀測期間監測區較為穩定，地鐵施工對周邊基礎設施的影響較小。

4 結束語

本文利用地基 InSAR 技術對武漢市梨園地鐵站施工區域微小形變場進行監測，監測結果表明，地基 InSAR能夠有效地獲取地鐵施工區域的高精度、高時空分辨率的微小形變場；梨園地鐵站施工區域內，大部分形變累積量在 10 mm 以內，監測區域內形變變化趨勢相對穩定，地鐵施工對周邊基礎設施的影響較小。