基于多元監(jiān)測技術(shù)的交通應(yīng)急事件應(yīng)用研究

文/張毅、李凱、孫健、楊炯、干可

1 前言

地表監(jiān)測是地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作中常用到的一類監(jiān)測技術(shù)，本文簡要介紹合成孔徑雷達(dá)干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar,簡稱InSAR）這種20 世紀(jì)發(fā)展起來的新型空對地監(jiān)測技術(shù)，并將它與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）等傳統(tǒng)地表監(jiān)測進(jìn)行分析比較，同時分析二者在地表形變量測量結(jié)果上的差異，研究InSAR 等多元監(jiān)測技術(shù)在交通應(yīng)急事件中的應(yīng)用[1]。

2 InSAR 監(jiān)測的原理與應(yīng)用特點(diǎn)

2.1 InSAR 相關(guān)原理

InSAR 是指合成孔徑雷達(dá)的干涉測量技術(shù)。干涉測量指在通過干涉相位圖進(jìn)行去除平地效應(yīng)、高程模糊度計算、相位解纏等操作后，將干涉相位換算為地物高度的測量技術(shù)。InSAR 基本原理如圖1所示，假設(shè)S1、S2和目標(biāo)點(diǎn)之間的幾何關(guān)系是穩(wěn)定的且以一定精度可計算的，則目標(biāo)點(diǎn)高程可按下式計算：

圖1 InSAR 基本原理圖

由于余弦定理可得：

如果由S1、S2對目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際測量相位差為?，則Δr可表示為：

用R 替換R1、R+Δr替換R2，將式(1-2)與式(1-3)帶入式(1-1)可將該式重寫為：

由式（4）可知，地物高程的計算與基線B、兩天線的相對定向角度α及天線高度H 是緊密相關(guān)的。

2.2 InSAR 的主要應(yīng)用領(lǐng)域

從應(yīng)用領(lǐng)域而言，InSAR 形變監(jiān)測主要分為突發(fā)地災(zāi)的應(yīng)急與日常監(jiān)測應(yīng)用兩大類。一類是地震、重大滑坡等災(zāi)后調(diào)查應(yīng)用；另一類主要是面向活動斷裂、區(qū)域性地面沉降、滑坡監(jiān)測、礦山塌陷、重大工程與城市開發(fā)建設(shè)等目標(biāo)[2]。

InSAR 的工作原理是電磁波相位測量，形變測量過程中有一個重要的數(shù)據(jù)處理步驟是相位解纏，類似于GPS 載波相位解模糊。這里的前提條件是相位的連續(xù)性滿足互差小于π的條件，對應(yīng)的，要求相鄰兩個目標(biāo)之間的變形量保持在1/4 個雷達(dá)波長以內(nèi)，才能進(jìn)行相位解纏求解變形量，故此InSAR 適合相干性良好的地表區(qū)域的微小、緩慢、連續(xù)變形監(jiān)測。此外，受雷達(dá)側(cè)視成像特征影響，地表水發(fā)育地區(qū)以及地形起伏較大的山區(qū)由于雷達(dá)波鏡面反射、疊掩等幾何關(guān)系，無法獲取需要的電磁波相位信息。

3 InSAR 與傳統(tǒng)地表監(jiān)測的比較及其在交通應(yīng)急事件中的應(yīng)用

3.1 InSAR 監(jiān)測與傳統(tǒng)地表監(jiān)測的比較

3.1.1 觀測對象

傳統(tǒng)監(jiān)測手段多是基于獨(dú)立的點(diǎn)，用這個點(diǎn)代表一定范圍的變化情況。而InSAR 觀測的對象是地面上隨機(jī)分布的若干個相干像元，觀測相位是一定分辨單元內(nèi)所有目標(biāo)散射相位的相干疊加。

3.1.2 測量結(jié)果

InSAR 直接測量結(jié)果為目標(biāo)與雷達(dá)沿視線向的相對變化量。比較而言，InSAR 測量對于垂向敏感度最高（一般入射角近似垂直與地表，主要為20-30°），其次是東西向。與傳統(tǒng)監(jiān)測手段比較起來，InSAR 在三維方向上的測量能力不足[3]。

3.1.3 空間范圍

由于是衛(wèi)星遙感方式，InSAR 的空間范圍廣，一次性覆蓋的范圍很大，往往是數(shù)千數(shù)萬平方公里，而且是高密度的點(diǎn)位采樣。在這一點(diǎn)上，傳統(tǒng)監(jiān)測手段還需要解決大范圍監(jiān)測下成本高、難度大的問題。

3.1.4 時效性

相對于地學(xué)研究意義上的大范圍監(jiān)測而言，InSAR 要勝于傳統(tǒng)監(jiān)測手段。但傳統(tǒng)監(jiān)測手段在解決局部變形，特別是滑坡變形以及實(shí)時監(jiān)測方面，操作靈活，實(shí)施便利，而InSAR的重復(fù)觀測時效性受制于衛(wèi)星特定重訪周期。

3.1.5 測量精度

從InSAR 解算模型的統(tǒng)計計算以及國內(nèi)外大量驗(yàn)證的結(jié)果來看，InSAR 時序分析方法需要根據(jù)處理所用到的數(shù)據(jù)量（幾十景以至更多）而定。一般在20 景數(shù)據(jù)左右時，測量獲取的雷達(dá)視線向變形速率的精度會達(dá)到3～5mm。但是，需要注意，不同的雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)、解算方法和模型也會影響精度。

3.1.6 精細(xì)程度

精細(xì)程度分為兩個層面的含義，一是空間上的采樣密度，二是時間上的觀測頻率。在實(shí)際應(yīng)用中，采樣密度即測量點(diǎn)的分布密度，多取決于所用雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的分辨率與數(shù)據(jù)處理方法；時間上的觀測頻率主要取決于所獲雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的拍攝頻次，如TerraSAR-X、Sentinel-1 等觀測周期越來越密集，可以達(dá)到5 天左右[4]。

3.1.7 經(jīng)濟(jì)效益

分為調(diào)查和監(jiān)測兩個層面。著眼于監(jiān)測的精細(xì)程度，其大范圍測量的成本一般會低于傳統(tǒng)監(jiān)測手段；而在小范圍監(jiān)測中，根據(jù)布設(shè)傳統(tǒng)測量點(diǎn)的數(shù)量，則可能高于GNSS 等地面手段。當(dāng)前，許多監(jiān)測方案都采用了地面和InSAR 兩種手段聯(lián)合的方式。

3.2 多元監(jiān)測技術(shù)在交通應(yīng)急事件中的應(yīng)用

本文以雅西高速瓦廠坪大橋邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析對比GNSS 傳統(tǒng)地表監(jiān)測與InSAR 監(jiān)測在形變量測量上的監(jiān)測成果和差異。

如表1 所示，從瓦廠坪GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)中可 知，自2018年7月 至2019年9月，瓦廠坪邊坡區(qū)域累計沉降量最大的為GS19，累計沉降量U=-191.99mm；累計水平位移最大為GS03，累計水平位移量H=249.7mm。

表1 瓦廠坪GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)(2019.09.29)

采用InSAR 監(jiān)測技術(shù)對瓦廠坪大橋兩側(cè)各500m 范圍內(nèi)路段進(jìn)行地面形變趨勢分析，同時檢測分析2018年7月至2019年9月間發(fā)生的地面形變活動。此次檢測采用C 波段低分辨率雷達(dá)影像39 景，主要目的在于定性分析道路周邊的形變趨勢和大致速率，成像范圍250km（東西向）。由InSAR 監(jiān)測成果發(fā)現(xiàn)沿瓦廠坪路段周邊多處山體存在較快活動，最快速率85 毫米/年（雷達(dá)視線方向），且其屬于快速高危形變活動，對相關(guān)路段邊坡和隧道口均有較明顯影響[5]。

將比較關(guān)注的瓦廠坪邊坡上部典型檢測點(diǎn)提取出來（1 號點(diǎn)、2 號點(diǎn)和3 號點(diǎn)），并繪制截至2019年9月的時間序列變形累計曲線（由于檢測點(diǎn)為軟件自動選取，無法完全匹配GNSS 測點(diǎn)位置），時間序列形變呈近似線性變形過程，累計量在-20mm～-80mm，其中1號點(diǎn)累計變形量值高達(dá)-78mm。

分析比對InSAR 監(jiān)測結(jié)果與GNSS 成果，兩者在形變范圍上基本吻合。在形變量數(shù)值方面，GNSS 部分測點(diǎn)形變相對InSAR 形變量較大，一方面由于兩者監(jiān)測點(diǎn)位置差別較大，InSAR 測量點(diǎn)位置為系統(tǒng)自動選取點(diǎn)，無法與GNSS 監(jiān)測點(diǎn)位置完全匹配；另一方面，由于InSAR 采用的數(shù)據(jù)為低分辨率低精度影像數(shù)據(jù)，只能定性獲取地表變形信息，精度上還存在一定差距。此外，InSAR 測量點(diǎn)獲取的是實(shí)際形變投影到衛(wèi)星照射方向（即雷達(dá)視線方向）的形變量，兩個結(jié)果的形變方向有所差別。最終造成InSAR 監(jiān)測結(jié)果和GNSS 結(jié)果在形變量上存在差異。

4 結(jié)語

本文對InSAR 監(jiān)測技術(shù)的相關(guān)概念和原理做了簡要闡述，并將其與GNSS 等傳統(tǒng)地表監(jiān)測手段進(jìn)行對比，重點(diǎn)分析了兩者在形變量測量結(jié)果上的差異，以研究多元監(jiān)測技術(shù)在交通應(yīng)急事件中的應(yīng)用。InSAR 監(jiān)測技術(shù)雖然可能在時效性、精細(xì)程度上無法與傳統(tǒng)地表監(jiān)測手段媲美，但它在長期性大范圍監(jiān)測上的優(yōu)勢是顯而易見的，實(shí)現(xiàn)了全天候?qū)Φ赜^測，具有廣闊的應(yīng)用前景。