毫米級遙感技術在高速公路監測技術中的應用

任軍軍

（山西呂梁環城高速公路管理有限責任公司，山西 呂梁 033000）

0 引言

呂梁環城高速是山西高速公路規劃“三縱十二橫十二環”中的呂梁環線。高速沿線濕陷性黃土廣布，誘發了高速沿線地面沉降等地質災害的發生，嚴重威脅人民生命財產和道路重要基礎設施的安全。因此，監測該區域地表動態變形，查明地面沉降的空間分布特征，結合遙感影像和野外驗證，對服務于地質災害調查和防治具有重大社會意義。

傳統的GPS 等地表變形監測手段精度高，但空間密度低、無法提供整個區域的地表變形信息[1]。新近發展的合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR）技術可以全天時、全天候地實現大范圍內地表變形的高時空分辨率監測[2]。相對傳統的差分合成孔徑雷達干涉測量(Differential Interferometric SAR, D-InSAR) 技術，永久散射體干涉 (Permanent Scatterer Interferometry,PS-InSAR)和小基線集(Small Baseline Subset, SBAS)方法可較好克服時空失相關和大氣非均勻等問題，目前已被廣泛應用至滑坡變形、冰川運動、構造活動和地面沉降等領域[3-15]。

針對呂梁繞城高速地面沉降的空間分布范圍、沉降過程和成因方面的研究尚處于空白狀態的現狀，本研究利用PS-InSAR 的方法，處理了2018 年1月—2019 年6 月間共32 景歐空局Sential-1A 衛星數據，提取了區域地表變形分布，并結合野外驗證，確定了呂梁繞城高速地面沉降的空間分布范圍和變形過程，為呂梁繞城高速地面沉降防治提供科學依據和參考。

1 毫米級遙感技術（PS-InSAR）原理

本文利用PS-InSAR 方法對研究區2018—2019年Sentinal-1A 共計32 景升軌衛星數據進行分析，對影像進行高相干點篩選、噪聲濾除、基線估算、去平地效應、相位解纏以及計算高程和糾正誤差等一系列處理，得到覆蓋研究區2018—2019 年的地表形變速率，本研究通過空間位置關系轉換將視線方向的變形轉化為垂直方向，所以正值代表地表抬升，負值表示地表沉降。具體PS-InSAR 處理流程如圖1。

2 應用PS-InSAR 監測呂梁環城高速形變

2.1 研究區域概況

呂梁環城高速是山西高速公路規劃“三縱十二橫十二環”中的呂梁環線。起點位于方山縣大武鎮閻家山村，與國家G59 呼北高速臨縣至離石段相接，終點位于離石區田家會街道上樓橋村，主線全長38.188 km。道路沿線黃土廣布，土質濕陷性較大，是造成高速公路沿線路基沉陷、橋梁、隧道和邊坡失穩的主要地質因素[16]。

2.2 SAR 數據選取

Sentinel-1 由 EC（歐洲委員會）出資、ESA（歐洲航天局）設計與開發。Sentinel-1A 于2014 年4 月3 號發射升空，并獲得數據。

2.3 SAR 數據處理

InSAR 干涉測量數據處理流程分為以下6 個關鍵步驟。

圖1 PS-InSAR 數據處理流程圖

2.3.1 選取公共主圖像

選取主圖像作為其余影像的配準基準和干涉基準。

2.3.2 圖像配準

將覆蓋同一研究區的多幅SAR 衛星影像提取地表形變信息，將所有影像進行配準。SAR 圖像配準通過計算主影像和待配準影像之間在距離向和方位向上的偏差，利用高階多項式擬合同名像點的坐標偏移量，對待配準影像實行坐標變換和重采樣。

2.3.3 差分干涉處理

將32 景影像配準之后，所有輔影像被重采樣到主影像空間上。將重采樣后所有輔影像與主影像進行共軛相乘，生成圖像的干涉相位圖。得到的相位信息包含地表形變信息、地表地形相位等信息，同時利用外部數字高程模型（DEM）數據模擬地形相位，對該步驟生成的干涉圖進行去除地形相位處理，生成差分干涉圖。此時得到第i 幅差分干涉圖第x 個研究散射體點（PS）的相位為：

式中：φD，x，i為視線方向形變相位；φA，x，i為大氣影響相位；φS，x，i為軌道誤差相位；φθ，x，i為 DEM 誤差造成的殘余地形相位；φN，x，i為噪聲相位。

2.3.4 PS 點目標提取

利用毫米級遙感技術（PS-InSAR）進行地表變形監測，首先要根據研究區狀況選取一定數量的PS點。PS 點為雷達散射特性較為穩定的目標，例如高于地面的建筑物、斜坡或山體部位裸露的巖石等，以上目標在所有生成的干涉對中保持較高的相干性。

2.3.5 InSAR 相位解纏

在上述PS 點目標提取中得到的PS 點地表形變相位值位于[-π，π]之間，對變形相位進行相位解纏，得到研究區雷達影像的變形相位整周模糊度信息，最終得到時序變形相位。本研究采用最小二乘法，獲得地表沿雷達視線方向上的地表位移量。

2.3.6 誤差及大氣效應的估算與去除

由差分干涉處理結果可知，相位解纏結果中仍然存在DEM殘余誤差、大氣延遲等一系列的誤差相位。在本文研究中，為進一步提高計算精度，需要估算信號處理過程中的各種誤差和大氣影響相位，最終得到高精度的地表變形監測結果。

3 試驗結果分析

整個研究區的形變速率分布，70%在-10 mm/year和+10 mm/year 之間。總體而言，形變速率范圍為-48.265～+32.35 mm/year（圖2）。

圖2 以mm/year 為單位的形變速率圖

3.1 路基沉降監測

根據監測成果，2018 年 9 月—2019 年 6 月形變值變化較大，K6—K8 累計最大沉降處位于K6+387，累計沉降值為-13.56 mm。具體變化情況見圖3～圖5。

圖3 K6+380—K6+510 路段沉降量分布圖

圖4 TS1（2924463）點時序形變曲線（形變量：-13.56 mm）

圖5 TS2（2920438）點時序形變曲線（形變量：-13.56 mm）

3.2 邊坡形變監測

根據監測成果，K17+300 邊坡 2018 年 1 月—2019 年6 月坡體趨于穩定，累計沉降值為-10.127 mm。在邊坡路基對面發現一個新的隱患區域，最大具體變化情況見圖6～圖9。

圖6 K17+300 邊坡路段沉降分布圖

圖7 TS1（2495763）點時序形變曲線（形變量：-48.09 mm）

圖8 TS2（2495759）點時序形變曲線（形變量：-33.99 mm）

圖9 TS3（2481353）點時序形變曲線（形變量：-48.21 mm）

3.3 橋梁形變監測

K5+937 硯石溝大橋在 2018 年 01 月—2019 年06 月的監測結果如下，硯石溝大橋兩側為沉降漏斗區，最大累計沉降量為-63.17 mm，形變速率為-36.9 mm/year。離形變場值的直線距離最短為368 m，離最大沉降漏斗區域為626 m（圖10）。橋面形變量較小，最大累計沉降量為-2.9 mm。橋頭右側累計沉降量為-43.57 mm，形變速率較大階段為20180326 ～20180805，20190414～20190613（圖11）；橋頭左側累計沉降量為-25.978 mm（圖12）。

圖10 K5+937 硯石溝大橋形變場等值線圖（20 mm 為等分線）

圖11 K5+733 硯石溝大橋橋頭右側沉降量（單位：mm）

圖12 K5+733 硯石溝大橋橋頭左側沉降量（單位：mm）

4 結語

本文運用PS-InSAR 技術對呂梁繞城高速開展了地表形變監測研究，將區內地表形變分為3 種類型：道路沿線邊坡變形、路基沉降和橋梁變形，驗證了PS-InSAR 監測結果的準確度和實際應用價值。

a）借助PS-InSAR 的方法對呂梁繞城高速地面沉降現象進行定量分析，對2018—2019 年呂梁環城高速地表變形速率進行精確分析，針對全線38 km 高速公路網，高速路段累計沉降量范圍最大區域發生在 K6—K8 之間，從 2018 年 1 月—2019 年 6 月累計沉降量達到-63.17 mm。全線監測結果符合精度要求。

b）結合人類工程活動、地面沉降空間分布的數據，分析得到呂梁環城高速地面沉降與地層巖性有密切聯系，與地下水位埋深關系不明顯，人工填方、重型車輛加載、道路建設和農業綠化灌溉是導致地面沉降的重要外因，濕陷性黃土具有更大的孔隙比和壓縮系數，在水的作用下更易發生淋濾和溶蝕，發生濕陷并進一步導致不均勻沉降。

c）呂梁環城高速在運行過程中，由于沿線削山造地、道路基礎設施建設、重型車輛等引起的荷載使得地面荷載不斷增加，導致地面沉降現象更為嚴重。建議在道路規劃時要對道路沿線施工建設進行控制，增加地面的承載力，從預防的角度減少地面沉降現象及其危害。