TS-InSAR 技術(shù)在鄭濟高鐵區(qū)域沉降時空動態(tài)分析中的應(yīng)用

宿寶忠

(濟青高速鐵路有限公司,濟南 250014)

1 概述

區(qū)域地面沉降是一種由自然或人類活動(地下水開采、礦產(chǎn)開采等)引發(fā)地下松散巖層厚度變化的地質(zhì)現(xiàn)象,屬于地質(zhì)災(zāi)害。 而對于高鐵工程而言,地面區(qū)域沉降和工程結(jié)構(gòu)形變之間存在一定的耦合機理,地面沉降監(jiān)測和分析對于勘察設(shè)計選線和鐵路安全運營很有必要[1]。

相較于傳統(tǒng)沉降監(jiān)測手段,TS-InSAR 具有較高的時空分辨率,可得到直觀的沉降區(qū)域邊界和可靠的歷史沉降時間序列[2-4]。 截止目前,TS-InSAR 方法已經(jīng)在高鐵沿線區(qū)域沉降監(jiān)測中得到應(yīng)用,李廣宇等分析Sentinel-1A SAR 數(shù)據(jù)和IPTA 時序解算方法在大區(qū)域沉降監(jiān)測的流程和可行性,并獲取京津地區(qū)的鐵路沿線區(qū)域沉降[5-6];楊斌等基于TS-InSAR 數(shù)據(jù)處理,對高速鐵路沿線區(qū)域的地表沉降時序演化態(tài)勢進行監(jiān)測和分析[7]。

以鄭濟高鐵山東段工程需求為導(dǎo)向,選取2017 年1 月至2020 年12 月期間的83 景Sentinel-1A/B,使用TS-InSAR 獲取2017 年至2019 年、2019 年至2020 年的年際沉降監(jiān)測結(jié)果,通過對比分析年際間的時空監(jiān)測結(jié)果,獲得鄭濟高鐵山東段沿線的區(qū)域沉降變化情況,提取鐵路沿線需要重點關(guān)注的區(qū)域,并結(jié)合時間維沉降序列,分析沉降原因,以期為勘察設(shè)計選線、鐵路建設(shè)管理和養(yǎng)護維修提供詳細(xì)的沉降時空分布和演化信息。

2 TS-InSAR 方法

TS-InSAR 技術(shù)的基本原理是基于SAR 衛(wèi)星不同時刻拍攝的同一地區(qū)的影像,利用時間維高相干性SAR 影像像元進行差分干涉數(shù)據(jù)處理,再基于周期圖法、解纏或者其他最優(yōu)函數(shù)建模,獲取SAR 影像覆蓋區(qū)域的時空維形變監(jiān)測結(jié)果[8]。 高相干像元的相位信息一般由人工構(gòu)筑物、人工角反射器、高鐵橋梁、裸露巖石等為主導(dǎo)的強散射體組成[9],在較長的SAR 影像時間序列中仍能保持較為穩(wěn)定的散射特性,且后向散射系數(shù)主導(dǎo)整個像素單元,故能使像元表現(xiàn)為高相干性[10]。

假設(shè)有N幅單視復(fù)數(shù)SAR 影像,形成Mi(m=1,2,…,N)個差分干涉相位圖,通過一定的統(tǒng)計分析原則,獲取了空間分布的散射體,假設(shè)P0為參考像元,可以將待解算像元P與參考像元P0之間的時序差分相位模型設(shè)定為

3 TS-InSAR 數(shù)據(jù)處理流程

TS-InSAR 技術(shù)處理流程見圖1。

圖1 TS-InSAR 技術(shù)處理流程

(1)SAR 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

由于傳感器在每次成像時的姿態(tài)位置都會存在輕微變化,也就造成每次成像時的像元位置坐標(biāo)不一致。因此,需利用SAR 影像的幅度或相位信息進行配準(zhǔn),作為后續(xù)干涉的預(yù)處理。

(2)差分干涉數(shù)據(jù)處理

根據(jù)配準(zhǔn)后SAR 影像的時空基線分布情況,選擇時空基線較為居中的一景SAR 影像作為主影像,其余作為從影像,主從影像需進行干涉處理,得到干涉相位集。 借助外部DEM,通過差分干涉去除地形相位,從而獲得時序分析所需要的差分干涉相位集。

(3)高相干候選像元選擇

TS-InSAR 干涉相位模型基于高相干性SAR 影像像元進行建模。 為準(zhǔn)確選取這些高相干像元,可以根據(jù)振幅離差指數(shù)和相干性進行選擇。

(4)相干目標(biāo)構(gòu)網(wǎng)解算和解纏

對高相干像元用Delaunay 不規(guī)則三角形進行構(gòu)網(wǎng),則相鄰點的差分相位模型見式(1),假設(shè)相鄰兩點的殘余相位在±π 以內(nèi),根據(jù)式(2)、式(3),求解模型最大值時的線性形變速率Δv和地形殘差Δh估計值。然后,根據(jù)最小二乘平差方法獲取每個像元的線性形變速率和地形殘差值[12]。

(5)大氣相位的估計和分離

殘余相位包含非線性形變相位、大氣相位和噪聲等。 為分離大氣相位,可以利用殘余相位在時空域表現(xiàn)的不同特征,采用時空濾波組合的方法,分離大氣相位和非線性形變相位,并濾除噪聲相位[13-14]。

(6)相干像元時序分析

對去除大氣延遲相位的每個相干目標(biāo)點進行時序分析,即用式(1)重新計算時序影像上每個像元的整體相干性,從而選擇最終的高相干像元。

(7)高相干像元形變速率估計

最后,利用上述方法重新進行構(gòu)網(wǎng)解算和解纏,估計更精確的形變量和形變速率。

4 實驗分析

4.1 實驗區(qū)域概況

新建鄭州至濟南高速鐵路是國家“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)中重要的連接線,山東段位于濟南市、德州市和聊城市境內(nèi),線路東接濟南樞紐濟南西站和濟南站,與京滬高鐵、濟青高鐵、石濟高鐵、膠濟高鐵等干線相連,經(jīng)過聊城地區(qū)與規(guī)劃京港臺高鐵相連,西至魯豫省界與河南段相接。 設(shè)計速度為350 km/h,山東段線路正線長168.583 km,其中橋梁長度158.6 km,占線路總長的93.93%。 全線共設(shè)置濟南西、長清、茌平、聊城、莘縣5 個車站,玉符河、大廟屯、安莊3 個線路所(見圖2)。

圖2 研究區(qū)域示意

參考鄭濟高鐵山東段沿線地面沉降資料,主要沉降區(qū)位于聊城市茌平縣境內(nèi),因此,本次研究區(qū)域以聊城市茌平縣為中心,監(jiān)測里程范圍為DK20+000～DK174+000,覆蓋濟南市、齊河縣、茌平縣、聊城市、莘縣等區(qū)域。

4.2 數(shù)據(jù)分析

本次監(jiān)測采用歐空局Sentinel-1A/B SAR 影像作為監(jiān)測數(shù)據(jù)源,C 波段,波長5.6 cm,監(jiān)測時間為2017 年1 月至2020 年12 月,共83 景,數(shù)據(jù)拍攝日期見表1,本次實驗選擇的外部DEM 數(shù)據(jù)為30 m SRTM。

表1 Sentinel-1A/BSAR 影像拍攝日期

4.3 數(shù)據(jù)處理與分析

為得到年際間沉降速率的變化,將獲取的SAR 影像數(shù)據(jù)分2 次進行處理,分別是2017 年1 月至2019 年7 月、2019 年6 月至2020 年12 月,采用TSInSAR 數(shù)據(jù)處理流程進行時序解算,獲得的地面沉降監(jiān)測結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 2017 年1 月至2019 年7 月間鄭濟高鐵地面沉降監(jiān)測結(jié)果

圖4 2019 年6 月至2020 年12 月間鄭濟高鐵地面沉降監(jiān)測結(jié)果

由圖3、圖4 可知,2019 年6 月至2020 年12 月相比2017 年1 月至2019 年7 月,區(qū)域內(nèi)沉降速率時空分布發(fā)生較為明顯變化,尤其是茌平縣、東阿縣、齊河縣附近的區(qū)域沉降;茌平縣區(qū)域沉降空間分布范圍基本未變,東阿縣附近的最大區(qū)域沉降速率由115 mm/a變?yōu)?1 mm/a,空間范圍縮小,齊河縣的小區(qū)域沉降漏斗正在消失。 為定量分析鐵路沿線沉降在時空分布上的年際變化,從空間和時間維度上分別分析鐵路沿線沉降分布具體如下。

(1) 沉降空間分布分析

為準(zhǔn)確分析沉降區(qū)域的空間變化,繪制沉降速率等值線(見圖5、圖6),等值線間隔為10 mm/a。

圖5 2017 年1 月至2019 年7 月間鄭濟高鐵地面沉降等值線

由圖5、圖6 可知,相較于2017 年1 月至2019 年7 月, 2019 年6 月至2020 年12 月期間茌平縣附近區(qū)域的最大沉降速率基本維持在56 mm/a,但不均勻沉降在空間上的邊界范圍發(fā)生一些變化。 東阿縣附近區(qū)域沉降速率發(fā)生極大減緩,由早期最大年沉降速率115 mm/a 減緩到47 mm/a,且在空間上的分布呈現(xiàn)縮小趨勢;而齊河縣附近區(qū)域的沉降速率發(fā)生加劇現(xiàn)象,最大年沉降速率基本未變,維持在70 mm/a 左右,但在空間上的變化較為明顯,沉降漏斗的空間分布更加擴散,離鐵路線的距離越來越近,沉降區(qū)域邊界離鐵路線位的最近距離為5.4 km,需要在后期的運營養(yǎng)護階段重點關(guān)注。

圖6 2019 年6 月至2020 年12 月間鄭濟高鐵地面沉降等值線

為進一步明確不均勻沉降在鐵路線位附近區(qū)域的影響,提取鐵路沿線的沉降速率縱斷面成果,見圖7～圖9。

圖7 2017 年1 月至2019 年7 月間鄭濟高鐵地面沉降速率縱斷面結(jié)果

圖8 2019 年6 月至2020 年12 月間鄭濟高鐵地面沉降速率縱斷面結(jié)果

由圖7～圖9 可知,鐵路沿線區(qū)域沉降速率加劇的區(qū)域集中在DK20+500 至DK26+700、DK67+900 至DK70+000、DK81+200 至DK104+600、DK115+100 至DK121+400、DK134+800 至DK151+300、DK163+600 至DK171+200 等里程段落,變化的最大沉降速率為13.52 mm/a,一般在5 mm/a 左右,相對而言,年際間鐵路沿線沉降速率變化較小且穩(wěn)定。

圖9 鄭濟高鐵地面沉降速率年際縱斷面差值結(jié)果

(2)沉降時間分布分析

根據(jù)2017 年1 月至2019 年7 月間鄭濟高鐵地面沉降監(jiān)測結(jié)果,選取鐵路沿線重點沉降區(qū)(見圖10),并在區(qū)域內(nèi)選取典型沉降點A1、B1、C1、D1 進行沉降區(qū)時間維度分析。

圖10 2017 年1 月至2019 年7 月間鄭濟高鐵地面沉降重點區(qū)域

根據(jù)沉降空間分布,選取沉降區(qū)內(nèi)典型的高相干性像元進行時序分析,分析結(jié)果見圖11。

圖11 2017 年1 月至2019 年 7 月間典型沉降點時間序列

由圖11 可知,該區(qū)域存在少量非線性地面沉降,沉降速率均存在一定的加劇或者減緩趨勢,其中,位于東阿縣的D1 點,在整個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)沉降速率最大,為115 mm/a,但在2019 年6 月份開始出現(xiàn)輕微程度的抬升,使得沉降減緩。

根據(jù)2019 年6 月至2020 年12 月間鄭濟高鐵地面沉降監(jiān)測結(jié)果,選取鐵路沿線重點沉降區(qū),見圖12,并在區(qū)域內(nèi)選取了典型沉降點B2、D2、E2、F2 進行時間維度上的沉降分析。

圖12 2019 年6 月至2020 年12 月間鄭濟高鐵地面沉降重點區(qū)域

由圖13 可知,該區(qū)域存在非線性地面沉降,以2019 年6 月份開始均存在不同程度的減緩,其中,和2017 年1 月至2019 年6 月位于茌平縣的B1 點對應(yīng)的B2 點在2019 年9 開始,沉降速率基本保持穩(wěn)定;和2017 年1 月至2019 年6 月位于東阿縣D1 點對應(yīng)的D2 沉降點,在2019 年6 月開始沉降速率減緩,并且一直保持在較低水平;位于茌平縣附近E2 點和位于齊河縣附近F2 點存在季節(jié)性形變,在每年的3 月份至7 月份存在沉降加速,而其他季節(jié)沉降速率較緩,這和干旱季節(jié)農(nóng)作物灌溉、地下水需求增加有一定關(guān)系。含水層和周圍相對隔水層共同失水壓密、層厚降低而導(dǎo)致影響區(qū)域的地面沉降。 在鄭濟高鐵開通前,應(yīng)聯(lián)合地方政府對區(qū)域沉降影響地區(qū)的鐵路兩側(cè)200 m 范圍內(nèi)的水井進行調(diào)查并封閉,以避免區(qū)域沉降對鐵路無砟軌道線型造成影響。

圖13 2019.06 至2020.12 間典型沉降點時間序列

(3)小結(jié)

綜上分析,鄭濟高鐵沿線地面沉降監(jiān)測成果直觀展示了鐵路沿線沉降的時空分布,重點沉降區(qū)主要分布在茌平縣、東阿縣、齊河縣附近區(qū)域。 結(jié)合年際間的空間分布對比分析,東阿縣的不均勻沉降空間分布有所減小,齊河縣的不均勻沉降空間分布有所增大,茌平縣的不均勻沉降空間分布邊界范圍有變化,但整體空間分布范圍基本無變化;在鄭濟高鐵沿線的附近區(qū)域,DK20+500 至DK26+700、DK67+900 至DK70+000、DK81+200 至DK104+600、DK115+100 至DK121+400、DK134 + 800 至DK151 + 300、DK163 + 600 至DK171+200 等里程段落發(fā)生年際間的變化,變化的最大沉降速率為13.52 mm/a,大多在5 mm/a 左右。 結(jié)合年際間的沉降速率對比分析可知,鄭濟高鐵沿線沉降存在一定程度的非線性(包含季節(jié)性沉降),2019 年6 月開始,東阿縣分布的D1 和D2 點沉降速率減緩,并逐漸趨向平穩(wěn);茌平縣和齊河縣的季節(jié)性形變較為明顯,在每年3 月份至7 月份有明顯的沉降加速趨勢,其余季節(jié)沉降較為平緩。 相對于勘察設(shè)計期間的區(qū)域沉降情況,運營期間鐵路沿線沉降得到一定程度的治理。

5 結(jié)語

根據(jù)本次實驗結(jié)果,鐵路沿線年際間的時空分布動態(tài)分析對于鐵路勘察設(shè)計、建設(shè)管理和運營維護十分必要。 為進行區(qū)域沉降時空分布動態(tài)分析,本次實驗提取年際間的沉降速率等值線、沿線沉降速率縱斷面等空間分布成果和沉降時間序列等時間分布成果,通過分析年際間沉降時空分布,成功獲取鐵路沿線區(qū)域沉降空間和時間維度變化,獲取鐵路沿線需要關(guān)注的重點里程,并結(jié)合時間維度沉降變化趨勢,分析沉降的原因,為后續(xù)運營期間沿線區(qū)域沉降治理提供可靠數(shù)據(jù)支撐。