地基InSAR在施工隧道洞口邊坡監測中的應用*

余 飛,金 林,徐 喬

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430056)

0 引言

在中西部山高谷深地區的高速公路建設中,橋隧比極高,地形地質條件復雜的區域往往只能通過橋梁和隧道來保障公路交通的貫通。其中,隧道洞口段作為隧道貫通和安全建設的咽喉之地,附近的山體往往比較薄,經常會堆積有大量的嚴重風化或節理發育的松軟巖層,地層破碎且穩定性較差。尤其是在隧道建設過程中遇到降雨、地下水或者爆破開挖施工振動等各種因素的影響下,洞口段更容易發生松弛張裂、落石、崩塌或者滑坡等工程地質災害,嚴重威脅整個隧道的施工質量和人員安全[1-2]。

邊坡位移監測作為隧道洞口段監測工作的重要組成部分,目前常用的手段主要是水準儀測量、全站儀測量和北斗GNSS測量等接觸式測量,這些技術雖然操作便捷、成本較低,但是在監測過程中需要在被測目標區域進行儀器安置或者測量點布設,在一些危險目標區域很難實施,而且只能對目標區域中的一些離散點進行點監測,根本無法滿足對邊坡進行全覆蓋形變監測的需求[2-3]。

合成孔徑干涉雷達技術(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)是近年發展起來的一種新型監測形變的遙感技術,作為非接觸測量的典型技術手段,能有效對目標區域進行無接觸式、全天候、大范圍面狀的毫米級形變監測。根據搭載的平臺不同,可將其分為星載合成孔徑雷達、機載合成孔徑雷達以及地基合成孔徑雷達[4]。相對于星載InSAR而言,地基InSAR(ground based InSAR, GBInSAR)能夠實時獲取更高時間分辨率和空間分辨率的數據,還具有大范圍連續面狀空間覆蓋、受惡劣環境影響小、設備安置簡單靈活、無需設置觀測目標、后續數據處理簡單等優點,監測結果更精細。該技術在近年的水利大壩、露天礦邊坡、山體滑坡、高大建筑物等形變監測中獲得大量研究與應用,雖然驗證了地基InSAR在這些監測領域的可行性和適用性,監測精度能夠達到亞毫米級,但是針對隧道洞口段施工建設的應用場景卻較為少見。因此,本文在這些研究的基礎上,結合隧道洞口段施工和地基InSAR系統的特點,提出一種在三維激光雷達掃描輔助下基于地基InSAR的隧道洞口邊坡三維形變監測方法,將該技術與三維激光掃描技術進行融合,并詳細介紹技術流程和關鍵技術,最后在隧道洞口段的施工監測中進行測試應用。

1 地基SAR測量系統

地基InSAR監測技術是在地基SAR系統的基礎上進行差分干涉數據處理的高精度測量技術,地基SAR系統主要由收發天線、數據采集模塊、數據存儲模塊、數據處理模塊以及供電模塊共同組成,主要是利用X波段或者Ku波段進行工作的影像傳感器。系統對獲取的每一個像素點進行相位信息和振幅信息的存儲和處理,其中振幅信息主要用來表達目標場景圖像和該區域的后向散射特性,相位則用來進行DEM生成或者形變分析等。在工作狀態下,主要是通過對目標區域持續不斷的發射和接收電磁波信號,然后在此基礎上通過實時處理信號之間的相位差,進而獲取目標的變形與微動狀態。

通常,地基SAR測量系統按照合成孔徑的實現方式,主要劃分為直線掃描地基SAR、弧線掃描地基SAR和MIMO地基SAR。直線掃描地基SAR主要是利用天線沿著高精密滑軌移動來形成方位向孔徑合成獲取方位SAR數據,典型的代表系統有意大利IDS公司IBIS-L系統、荷蘭MetaSensing公司的FastGBSAR-S系統以及我國安全生產科學研究院的S-SAR系統;弧線掃描地基SAR則是利用天線在水平面內的圓周運動來進行圓弧掃描,進而形成合成孔徑獲取SAR數據,典型的代表系統有意大利IDS公司的IBIS-ArcSAR系統以及中科院電子學研究所的ArcFMCW-SAR系統等;MIMO地基雷達采用多輸入多輸出技術,通過多個天線特殊排列來等效合成孔徑進行數據獲取,由于各個發射和接收天線可以同時發射和接收,掃描時間可以縮短至幾毫秒到幾秒[5-6]。

目前,絕大部分山嶺隧道洞口段處在峽谷之間,洞口外可供監測系統進行作業的空間較小,尤其在隧道施工過程中,各種施工設備不斷移動干擾和各個物料區占地劃分,會進一步造成施測空間狹小。由于直線掃描地基SAR系統的天線是沿著直線軌道掃描,MIMO地基雷達方向較為單一,因此系統的視場無法在一次觀測中覆蓋目標周圍的全部場景,而弧線掃描地基SAR合成孔徑是通過附在旋臂末端的天線旋轉生成,能夠在一次觀測活動中獲取覆蓋周邊360°大范圍場景的高分辨SAR數據。若采用直線掃描地基SAR系統或者MIMO地基SAR系統,則難以在有限的觀測距離內觀測到比較完整的洞口邊坡情況,因此,弧形掃描地基SAR測量系統相對更適用于大多數的山嶺隧道洞口段監測工作。

2 地基InSAR三維形變監測技術

地基InSAR的形變測量原理和星載InSAR技術類似,主要是將同一目標區域在不同時間獲取的SAR圖像進行相位差比較,即可獲得監測目標的高精度形變信息。視線向的位移,即在不同時間點兩次采集之間的距離差Δd,可以通過計算兩次相位差獲得,簡易公式如下:

Δd=(λ/4π)(φ2-φ1)

(1)

式中:Δd為視線向形變量;φ2-φ1被稱為干涉相位。

由于地基SAR系統在采集數據時是安置在一個固定的位置進行連續監測,監測周期較短,相鄰兩次測量時重軌誤差可以忽略不計,因此通常無需考慮去基線估計和地平效應等步驟。雖然在地基InSAR干涉處理技術方面,各學者提出了不同的形變處理算法,但形變監測處理的技術流程卻基本相似,通常主要包括差分干涉、PS點選擇、相位解纏、大氣相位補償、形變量解算和地理編碼等步驟[7]。

地基InSAR能夠獲取目標物在雷達視線方向上的高精度位移圖,觀測結果精度高,而三維激光雷達掃描技術可快速獲取目標物的高精度三維模型[7-8],因此本文將三維激光掃描技術與地基InSAR技術進行結合,通過三維激光掃描獲取高精度的三維激光點云數據來輔助地基InSAR數據進行三維形變監測處理,可使地基InSAR視線方向的變形信息能夠突破本身二維平面的限制進行三維可視化,使得變形監測結果更為宏觀,其形變監測數據處理的主要技術流程如圖1所示。針對隧道洞口邊坡段的三維形變監測,該方法的關鍵則在于PS點目標的選擇以及三維雷達點云融合與形變解算。

圖1 地基InSAR三維形變監測技術流程Fig.1 Flow chart of ground-based InSAR 3D deformation monitoring technology

2.1 PS點選擇

在利用像素點的相位信息進行形變測量時,差分干涉相位的質量直接影響形變測量的精度。同時,在監測中由于植被、構造物等的存在,會導致實際監測分析中淺層地表位移變化因素較多,這些低相位質量的像素點,會給形變分析帶來較大的測量誤差。因此,在地基InSAR差分干涉處理時,需要選擇一些高質量的點像素點即PS(permanent scatterer,永久散射體)來進行形變分析。為了提高PS點的可靠性,研究中綜合多種提取方法來盡可能多地獲取高相干的有效PS點進行形變分析,可有效剔除多種淺層地表位移變化因素的影響。

1)地基InSAR影像的強度圖能夠反映信號的真實強度信息,利用影像的強度信息計算其熱信噪比,然后計算獲取影像的平均熱信噪比,并設定一定的閾值去除大部分虛假信號,再通過計算所獲取影像的平均相關系數,分析其分布情況和設定合理的閾值完成PS候選點剔除。

2)利用振幅離差(ADI,amplitude dispersion index)法進行篩選,即利用對一個像素點幅度穩定性的估計來代替對其相位穩定性的估計,一般而言,至少需要20幅SAR圖像,1個像素點的幅度離差值DA定義為:

DA=σA/mA

(2)

式中:σA和mA分別表示該像素點的時序幅值序列的標準差和均值,通常對DA設置閾值DT,通過滿足DA≤DT完成PS點的選擇,一般沒有植被覆蓋的區域ADI顯著較低,進而對幅度穩定性很低的植被區域進行有效剔除。

最后,結合隧道洞口邊坡的具體地形特征,可以對PS點對位移方向的敏感性做進一步篩選,由于目前獲得的形變主要還是視線方向,在實際工程中,在此過程中可計算地形坡向和視線方向的相關系數,通過設定合理的閾值進一步篩選出更適合沉降位移監測的PS點,一般情況下經此系列步驟處理選擇出的PS點,其密度和質量均可以滿足高精度形變測量的需求。

2.2 三維雷達點云融合與形變解算

可靠的PS點經過差分干涉、相位解纏和大氣相位補償后,即可獲取形變相位,然后經過式(1)既可獲取視線方向的形變量。由于二維SAR圖像只能解算出監測目標的二維坐標,且形變信息是沿著視線方向一維的。如何將形變量在三維地形上準確定位及顯示,則需要實現SAR圖像與三維激光雷達點云的數據融合,主要通過坐標轉換和投影的方法來實現。

首先通過人工選擇控制點的方式,按照二維四參數轉換法計算轉換參數,將SAR系統的本地平面坐標系轉換到三維激光雷達的工程平面坐標系,從而統一平面坐標系統;然后,在三維激光雷達點云生產的DTM基礎上,將SAR像素點的值按照相對應的平面坐標投影到DTM中相對應的點,即可將地基InSAR視線方向形變圖投影到三維激光雷達獲取的高精度DTM表面,實現形變信息三維可視化,從而更加直觀和容易確定形變區發生的位置。

3 隧道洞口監測與分析

試驗區隧道位于湖北省某城市,隧道進口位于斜坡上,坡面較緩,植被覆蓋率一般,多為竹子,可見少量喬木;附近為沖溝地帶,總體走向與線路正交,溝內目前有細流經過。隧址區位于構造侵蝕中低山-丘陵地貌單元,擬建隧道大角度斜穿陡坡;隧道洞身穿越段地表整體呈波狀起伏,高差較大,最低標高約290.000 m,山頂標高約980.000 m。隧道洞口段巖體裂隙很發育,圍巖破碎,隧道埋深淺,處于溝谷兩側岸坡隧道進洞口位于崩塌堆積體下,崩坡積物主要以塊石及碎石土為主。

隧道洞口目前正處于掘進施工中,進洞里程約為15 m,周邊存在高位邊坡,由于接觸式監測施工難度大、危險性高,常規監測無法實施,結合隧道洞口工作界面的劃分和較為狹窄的空間特性,項目選用萊卡的Hydra雷達監測系統來進行數據處理。該設備采用弧線掃描地基SAR合成孔徑模式來進行測量,視場角水平方向最大360°,垂直方向30°,數據采集周期僅為30 s,最大工作距離為800 m,距離分辨率0.2 m,方位分辨率8 mrad;在距離100 m處,其像素分辨率可達0.2 m×0.80 m,且在視線方向監測精度可達0.1 mm,整機僅重50 kg,單人即可實現快速安裝,能顯著節省監測現場施工時間和提高監測工作效率。為有效觀測隧道洞口在施工過程中對周圍高邊坡的影響,將地基InSAR安置在高邊坡對面的平坦區域約100 m處。根據高邊坡總體坡度,為盡可能多地獲取整個邊坡的形變且剔除邊坡外信息,實測時將天線水平觀測范圍設置為-30°～30°,由于受到施工任務影響,觀測時間為2022年6月26日—6月27日,對隧道施工掘進和巖土爆破時期的影響進行了有效觀測。同時,采用地面三維激光掃描儀對隧道洞口邊坡區域進行三維激光點云掃描,獲取了該區域高密度、高精度的三維激光雷達點云數據,點云分辨率達15 cm,并在此基礎上通過點云濾波構建了隧道洞口段高邊坡的高精度DTM模型,如圖2所示。

圖2 三維激光雷達獲取的洞口邊坡高精度DTMFig.2 High-precision DTM of the portal and slope obtained by 3D lidar

地基InSAR數據處理則主要是利用獲取的SAR影像按時間先后兩景影像形成干涉對,然后進行差分干涉、PS點選擇等處理,在PS點選擇時,先采用自適應濾波方法去除噪聲,再通過地基InSAR影像的強度圖進行PS候選點區域的篩除,如圖3所示,然后通過振幅離差法剔除后再結合DTM數據和SAR數據視線方向的關系,進一步通過地形和觀測方向敏感性篩選,進而得到有效的高相干PS點分布區域,如圖4所示。

圖3 地基InSAR影像強度Fig.4 Intensity map of ground-based InSAR image

圖4 洞口邊坡PS點方向形變敏感圖Fig.4 Deformation sensitivity map in the direction of PS point of the opening slope

最后,再經過一系列的相位解纏、大氣相位補償等處理,即可開展三維融合和形變量解算處理,通過在DTM數據和SAR影像手動選擇均勻分布的PS點進行坐標變換和投影,實現多源數據配準和SAR數據的地理編碼,再通過形變量解算獲取目標邊坡在視線方向的形變量,最后將形變量在三維地形上準確的定位及顯示,主要變形敏感區域集中在靠近洞口上方區域的位置,如圖5所示。

圖5 洞口邊坡三維形變Fig.5 3D deformation of portal slope

進一步通過圖6中監測數據可知,在數據采集早期階段(17～20點),數據形變波動較大,主要是由于地基InSAR儀器安置區域有少許淺層土質殘渣附著于地表,且安置儀器附近有機械施工,存在施工設備干擾,導致儀器安置初始階段穩定性不足。此后,可以看出各區域PS點的形變基本沒有變化,整個邊坡都比較穩定。但是,到次日凌晨4:00,藍色曲線對應的PS點則發生了輕微沉降,此時正是隧道內進行爆破作業的時間,該PS點在爆破瞬間朝向雷達傳感器方向產生躍變,移動幅度大約為1 mm,其他區域未發生明顯變化,此后5 h內洞口邊坡所有區域巖層均未發生明顯變化,這表明爆破對整個高邊坡區域并未產生顯著破壞性影響。但是,躍變區域經過詳細調查發現有一小塊稍微突出坡面的巖體因強烈風化有點松散,這塊區域將會作為后期施工過程中重點關注的區域。

圖6 洞口邊坡部分PS點的變形時間序列曲線Fig.6 Deformation time series curve of PS point in the slope part of the portal

在不影響工程順利進行的情況下,為了進一步驗證監測結果的穩定性,在便于進行水準測量的隧道洞口又進行了短時間的進一步監測分析,主要目標是較為堅固的洞口構造物及其周邊。通過一系列的差分干涉、PS點選擇、相位解纏、大氣相位補償、形變量解算和地理編碼等處理,在監測區域選取了9個離散點進行分析,具體的離散點位置選擇如圖7所示,并在此基礎上獲取9個離散點的變形時間序列曲線,如圖8所示。可以看出,選擇的9個離散點在觀測期間都較為穩定,同時結合地面在監測實施前后進行的兩次水準測量,在此期間9個離散點的水準測量結果均未發生變化,因此通過對比分析,采用地基InSAR進行隧道洞口邊坡進行監測,其監測的數據精度可以達到0.2 mm。

圖7 洞口構造物監測區域離散點選擇Fig.7 Selection of discrete points in monitoring area of portal structure

圖8 洞口周邊9個PS點的變形時間序列曲線Fig.8 Deformation time series curve of 9 PS points around the portal

4 結語

相對于傳統形變監測手段,地基合成孔徑雷達干涉測量具有測量精度高、安裝便捷、非接觸遠程測量等諸多優點,適合在隧道洞口等空間狹窄的位置進行高邊坡監測,尤其適用于傳統方法無法進行監測設備布置的高邊坡。同時,通過施工隧道洞口高邊坡監測數據處理結果表明,本文采用的在三維激光雷達掃描輔助下基于地基InSAR的隧道洞口邊坡三維形變監測方法,能持續實時、快速、高分辨率、高精度地在三維環境下識別出變形區,監測精度達到亞毫米級,觀測穩定性較高。隧道施工爆破作業時,系統能敏感地捕捉到輕微變化,并獲得敏感區域的形變區域及時間變化歷程,同時也監測到爆破未對高邊坡穩定性產生破壞性影響,能為隧道施工過程中的洞口穩定性評估和應急搶險提供重要的基礎資料。但是,由于本次觀測時間較短,僅僅觀測17h,考慮到隧道洞口施工的復雜工況和穩定性評估的需要,后期可進一步延長觀測時間,從而全面分析整個掘進過程中各種人工或者地質因素對隧道洞口邊坡的影響。