基于InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)濕陷性黃土區(qū)公路路面沉降研究

喬衡 甘肅恒石公路檢測(cè)科技有限公司

1 前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)公路建設(shè)得到了快速發(fā)展，并且公路等級(jí)也在不斷提高。甘肅省黃土分布面積約12萬(wàn)平方公里。慶陽(yáng)、平?jīng)觥⑻焖⒍ㄎ鳌足y、蘭州、臨夏、武威等屬于濕陷性黃土地區(qū)，連霍高速G30、武金高速G3017、烏瑪高速G1816等公路均途徑濕陷性黃土地段。工程建設(shè)中常見(jiàn)的黃土病害有橋隧構(gòu)造物沉陷、路基沉陷、路面開(kāi)裂等諸多病害，給公路的行車安全帶來(lái)威脅，如圖1所示。

圖1 高速公路開(kāi)裂情況圖

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）技術(shù)可以應(yīng)用于高速公路災(zāi)害的早期識(shí)別，可以提前確定路網(wǎng)中嚴(yán)重沉降路段，并采取相應(yīng)措施，減少公路災(zāi)害造成損失[1]。王利娟等[2]人利用In?SAR技術(shù)對(duì)定南縣嶺北離子型稀土礦區(qū)S1A DEM的精度進(jìn)行定性和定量分析。范鵬等[3]人使用Terra SAR-XST模式高分辨率SAR數(shù)據(jù)，利用溫度熱膨脹形變模型的時(shí)序InSAR方法對(duì)青藏高原北麓河地區(qū)的輸電線路桿塔進(jìn)行形變監(jiān)測(cè)。張劍等[4]人采用PS-InSAR對(duì)蘭州市中心城區(qū)軌道交通線和鐵路線周邊100m區(qū)域做了沉降影響分析。利用InSAR技術(shù)進(jìn)行濕陷性黃土區(qū)公路路面形變監(jiān)測(cè)主要解決InSAR干涉濾波算法問(wèn)題，提高精度。識(shí)別甘肅省區(qū)域高速公路路面形變的準(zhǔn)確位置及形變量。

2 InSAR干涉濾波算法問(wèn)題

前期發(fā)現(xiàn)針對(duì)InSAR測(cè)量最終結(jié)果影響較大的是干涉濾波，如果濾波不好，導(dǎo)致精度存在很大的誤差，針對(duì)InSAR干涉濾波方法，因?yàn)楦缮鎴D條紋區(qū)和跳變點(diǎn)存在大量殘差，是影響后續(xù)相位解纏和地形反演精度的關(guān)鍵問(wèn)題。目前InSAR圖具有的特征：①周期重復(fù)性，除跳變點(diǎn)外，干涉圖之間重復(fù)出現(xiàn)。②干涉圖中跳變點(diǎn)在-π~π之間跳變。這就是InSAR圖的一些特征，提高測(cè)量精度就要處理這些跳變點(diǎn)。

目前InSAR濾波方法有中值、均值這些空間域的濾波方法，還有圓周期中值濾波方法，還有頻率域的濾波方法。這些濾波方法能夠?yàn)V除大氣噪聲、地形環(huán)境的影響，但是針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的一些濾波較差。

自研了“優(yōu)勢(shì)融合算法”就是將空間域與變換域進(jìn)行融合，能夠提高測(cè)量的精度。結(jié)合空間域和變換域各自的優(yōu)勢(shì)，在少損失細(xì)節(jié)信息的前提下，盡可能地平滑干涉條紋。利用干涉的升維，將多種濾波結(jié)果融合，來(lái)保留優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行一個(gè)降維處理，也就是對(duì)融合結(jié)果進(jìn)行降維處理。做了一些干涉濾波方法之后，要對(duì)結(jié)果進(jìn)行一些評(píng)價(jià)，利用數(shù)學(xué)分形學(xué)的方法將dem進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，模擬含噪和無(wú)噪干涉相位。這樣的話進(jìn)而驗(yàn)證濾波方法的精度問(wèn)題，利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法，做了一個(gè)不受任何地形因素限制的模擬相位過(guò)程。

模擬方法是多分形技術(shù)模擬方法，首先是模擬出無(wú)噪聲原始干涉圖，再加入噪聲矩陣形成加噪聲的干涉相位圖。模擬原始干涉圖的方法是先模擬DEM，然后進(jìn)行編碼，相位纏繞，就形成了無(wú)噪聲的真實(shí)干涉相位圖。利用優(yōu)勢(shì)融合算法對(duì)復(fù)雜地形模擬驗(yàn)證參數(shù)見(jiàn)表1，結(jié)果如圖2所示。

圖2 基于復(fù)雜環(huán)境地形模擬干涉圖

表1 復(fù)雜環(huán)境地形模擬參數(shù)

3 甘肅省濕陷性黃土區(qū)公路路面沉降監(jiān)測(cè)

甘肅省S14隴渭高速公路，從歐空局(European Space Agency,ESA)獲取2019年1月-2019年12月30幅C波段Sen?tinel-1A IW模式升軌影像。通過(guò)對(duì)隴渭高速公路路線的高程分析發(fā)現(xiàn)，全線公路高程變化呈增大趨勢(shì)，局部出現(xiàn)波動(dòng)變化，在0km~4km高程逐漸增大，4km~5km高程突然減少。基于SBAS-InSAR技術(shù)，利用30幅C波段Sentinel-1A影像獲取2019年1月—2019年12月公路形變監(jiān)測(cè)結(jié)果。結(jié)果表明，隴渭高速公路全線覆蓋區(qū)域形變范圍分布廣泛，縣城、城鎮(zhèn)形變較為明顯，山區(qū)部分形變較為平緩，LOS向形變累積量可達(dá)103mm/a。隴渭高速公路InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 隴渭高速公路InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果

從隴渭高速公路全線沉降速率剖面線變化圖看出，在0km~11km里程之間，公路沉降速率變化平穩(wěn)；12km~15km里程之間，公路沉降速率逐漸增大，15km處沉降速率約為18mm/a；15km~38km之間，公路隨著里程數(shù)增加，沉降速率整體趨勢(shì)呈增大，38km處為公路全線沉降速率最大約為22mm/a。隴渭高速公路全線沉降速率剖面線變化如圖4所示。

圖4 隴渭高速公路全線沉降速率剖面線變化

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)InSAR技術(shù)，能夠顯著提高高速公路形變監(jiān)測(cè)精度，改變傳統(tǒng)封閉交通監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段，降低人工調(diào)查成本與預(yù)埋傳感器成本。InSAR（TS-InSAR）技術(shù)能夠?yàn)楹笃诠佛B(yǎng)護(hù)提供正確的形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠?yàn)闈裣菪渣S土地區(qū)公路建設(shè)提供技術(shù)支撐，從而降低工程后期養(yǎng)護(hù)維修成本。基于改進(jìn)的InSAR技術(shù)能夠較高精度監(jiān)測(cè)高速公路沉降發(fā)生的位置和規(guī)律以及公路病害位置，建立重點(diǎn)地區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，可及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取沉降信息。