高文峰

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1989 年，InSAR 技術(shù)首次被用于提取美國(guó)加利福尼亞因皮里爾河谷地面的形變信息，此后，逐步發(fā)展出差分合成孔徑雷達(dá)干涉(DInSAR)的概念、原理及數(shù)據(jù)處理方法，其應(yīng)用遍及地面沉降、冰川漂移、地震形變場(chǎng)、火山及滑坡等領(lǐng)域[1-2]，從定性分析地表形變規(guī)律到定量提取地物形變量得到了持續(xù)發(fā)展[3-4]。 作為鐵路勘察設(shè)計(jì)單位，急需探索InSAR 技術(shù)為鐵路測(cè)量技術(shù)發(fā)展如何能帶來變革。

InSAR 技術(shù)在形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用于差分合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量，受時(shí)空相關(guān)、大氣以及噪聲等殘余相位的限制，基于常規(guī)二軌DInSAR 技術(shù)的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果只能達(dá)到cm 級(jí)，且沉降信息易被遮掩，僅能用于定性提取沉降和采空區(qū)的范圍[5-8]。 為克服殘余相位的影 響， 提 出 了Stacking、 PSI、 SBAS、 IPTA、 StaMPS、DSInSAR 等時(shí)序DInSAR 算法，這些方法利用相干點(diǎn)、永久散射體點(diǎn)及分布式散射體點(diǎn)，基于不同組合方式的差分干涉相位進(jìn)行時(shí)序解算，從而獲取高精度的沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果[9-11]。

1 DInSAR 基本原理

DInSAR 的英文全稱是 Difference Synthetic Aperture Radar Interferometry，該技術(shù)自誕生以來，經(jīng)歷了SAR、InSAR 到DInSAR 的發(fā)展歷史，在SAR 傳感器發(fā)展的基礎(chǔ)上，不斷發(fā)展干涉測(cè)距技術(shù)。 因此，在理解DInSAR 技術(shù)之前，首先需要了解SAR、InSAR 以及它們與DInSAR 之間的關(guān)系。

1.1 合成孔徑雷達(dá)(SAR)

SAR(Synthetic Aperture Radar)的中文全稱是合成孔徑雷達(dá)，在真實(shí)孔徑雷達(dá)的基礎(chǔ)上，利用多普勒頻移合成技術(shù)提高單像元的方位向分辨率；SAR 傳感器也是一種主動(dòng)式微波傳感器，以星載SAR 傳感器為例，其成像過程可以概括為:傳感器主動(dòng)發(fā)射微波信號(hào)，接收、記錄地物反射的微波信號(hào)(往返均穿過大氣層)，再經(jīng)過地面接收站的信號(hào)處理得到SAR 影像。 與光學(xué)傳感器(手機(jī)、航攝相機(jī)拍攝的照片)不同，SAR 影像利用微波反射強(qiáng)度信息(即振幅)表現(xiàn)在圖像上的灰度信息，并不包含RGB 等波段信息，看起來也不清晰(如圖1 所示)。 因此，直接用人眼進(jìn)行圖像解譯較為困難。

圖1 光學(xué)影像與SAR 影像對(duì)比

SAR 影像看上去全是黑白的斑點(diǎn)，其實(shí)除了肉眼可見的振幅信息之外，這里面隱藏著SAR 圖像最有用的信息—相位信息，要實(shí)現(xiàn)高精度的沉降信息提取，靠的就是這種特殊的“相位信息”(類似于GPS 的相位信息)。

1.2 合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)

InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry)的中文全稱是合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量，其利用獲取的SAR 影像進(jìn)行干涉測(cè)量(原理用到波粒二象性，楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn))，通過對(duì)兩幅同一個(gè)地區(qū)的SAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉(對(duì)應(yīng)像元相位相減)，可得到DEM(數(shù)字高程模型)。 2000 年，NASA 利用航天飛機(jī)搭載雙天線SAR 設(shè)備，對(duì)全球南北緯60°之間的陸地進(jìn)行地形掃描，從而獲得全球高精度的數(shù)字高程模型—SRTM。 到目前為止，SRTM 依然是全球使用率最高的DEM 數(shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于科研、工程經(jīng)濟(jì)建設(shè)中。

1.3 合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(DInSAR)

DInSAR 的中文全稱是合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量，就是在InSAR 的前面增加了一個(gè)字母“D”，這個(gè)“D”就代表了差分(Difference)。 DInSAR 的主要原理是對(duì)形變前后同一區(qū)域進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，利用形變前后的SAR 影像獲取干涉圖，并通過差分技術(shù)，剔除參考橢球面相位、地形相位、大氣相位、基線相位和噪聲相位等殘余相位信息，從而提取形變相位信息。 其中，以地形相位所占比重最大，在理想的情況下，大氣相位、基線相位和噪聲相位等可以忽略[12-15]。

圖2 為二軌法DInSAR 示意，紅色為形變前(第一次)獲取的SAR 數(shù)據(jù)，藍(lán)色為第二次(形變后)獲取的SAR 數(shù)據(jù)。 由圖2 可知，地形發(fā)生了沉降，故兩次觀測(cè)的相位不一樣，此時(shí)，干涉圖里包含了形變量和地面高程量信息，采用InSAR 結(jié)果與既有地形(比如SRTM)進(jìn)行差分(二軌差分)，也就是把地面高程量從干涉相位中減掉，就能提得到形變量信息。

圖2 二軌差分干涉

為進(jìn)一步研究干涉相位中非形變相位信息的影響，科研人員又相繼提出了多種監(jiān)測(cè)方法，如小集線集差分干涉測(cè)量(SBAS)；基于永久散射體的差分干涉測(cè)量(PSInSAR)； 基于角反射器的差分干涉測(cè)量(CRInSAR)等，都是在DInSAR 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，統(tǒng)稱為基于時(shí)間序列的DInSAR 技術(shù)。 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，其監(jiān)測(cè)精度和效率也在逐步提高。

1.4 DInSAR 的優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段(水準(zhǔn)、GNSS、靜力水準(zhǔn)儀等)，DInSAR 優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)。

(1)主動(dòng)式長(zhǎng)波段的面狀監(jiān)測(cè)可以24 h 全天候獲取高時(shí)空分辨率影像，從而提取mm 級(jí)的地表沉降。

(2)作為一種獲取地表沉降的遙感手段，避免了傳統(tǒng)沉降監(jiān)測(cè)需要現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的問題，避開了測(cè)量與運(yùn)營(yíng)之間的矛盾，節(jié)省了大量外業(yè)工作。

(3)相較于傳統(tǒng)技術(shù)手段的點(diǎn)監(jiān)測(cè)模式，DInSAR方法獲取的是影像覆蓋范圍內(nèi)的區(qū)域性沉降信息，在空間內(nèi)具有連續(xù)性；另外，區(qū)域沉降信息更加豐富和直觀，更容易找出沉降源及沉降原因。

(4)在一些沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)不完全以及監(jiān)測(cè)不及時(shí)區(qū)域，利用SAR 傳感器獲取的歷史存檔影像，可以獲取感興趣區(qū)域的歷史沉降信息，從而對(duì)未來沉降趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，這對(duì)不良地質(zhì)的判斷及鐵路方案的選擇起到了重要的作用。

1.5 DInSAR 的局限性

在鐵路沉降監(jiān)測(cè)中，DInSAR 技術(shù)也存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在以下方面。

(1)鐵路呈現(xiàn)帶狀走向，里程較長(zhǎng)，一景影像難以完全覆蓋感興趣區(qū)域，數(shù)據(jù)量要求較大；另外，需要的區(qū)域內(nèi)不一定有合適并足夠的存檔數(shù)據(jù)。

(2)商業(yè)化、界面化的DInSAR 數(shù)據(jù)處理軟件較少，尤其缺乏成熟的國(guó)產(chǎn)DInSAR 數(shù)據(jù)處理軟件。

(3)國(guó)際上非商業(yè)SAR 數(shù)據(jù)源較少，而商業(yè)SAR數(shù)據(jù)費(fèi)用較高(尤其是高分辨率SAR 數(shù)據(jù))，國(guó)內(nèi)公開的SAR 衛(wèi)星仍處于起步階段。

(4)相較于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式(水準(zhǔn)、GPS 等)，沉降位置難以精確到具體的點(diǎn)位。

2 DInSAR 常用方法及應(yīng)用范圍

2.1 常規(guī)DInSAR 差分干涉測(cè)量

常規(guī)DInSAR 方法包括二軌法、三軌法、四軌法，這種方法適合于監(jiān)測(cè)精度要求不高且研究區(qū)域內(nèi)SAR 數(shù)據(jù)較少的情況，這種方法只需二至四景SAR 數(shù)據(jù)，但需要形成相干性較高的形變干涉對(duì)。 受植被影響，一般波長(zhǎng)越長(zhǎng)監(jiān)測(cè)精度越高，但靈敏度降低，難以監(jiān)測(cè)微小形變。 常規(guī)DInSAR 差分干涉測(cè)量多用于勘察設(shè)計(jì)前確定采空區(qū)、明顯沉降漏斗范圍，主要用來定性分析，滿足對(duì)采空區(qū)、滑坡、地震等沉降較為劇烈的地質(zhì)災(zāi)害的形變監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)精度一般只能達(dá)到cm 級(jí)。

主要步驟包括:①數(shù)據(jù)分析，綜合考慮工程需求、數(shù)據(jù)成本、數(shù)據(jù)存檔以及數(shù)據(jù)組合質(zhì)量等因素，合理選擇SAR 數(shù)據(jù)組合的時(shí)空基線，構(gòu)建最優(yōu)的形變干涉像；②數(shù)據(jù)處理，根據(jù)常規(guī)差分干涉數(shù)據(jù)處理的流程，利用外部DEM 數(shù)據(jù)，完成差分干涉處理和沉降量提取；③成果分析，根據(jù)沉降量信息，并結(jié)合光學(xué)影像輔助分析，從而提取漏斗中心沉降量、沉降漏斗范圍與邊緣沉降量差異等指標(biāo)；④工程應(yīng)用，結(jié)合既有地質(zhì)、沉降監(jiān)測(cè)等資料，進(jìn)行實(shí)地踏勘調(diào)查，綜合分析重點(diǎn)漏斗區(qū)沉降原因，提出相關(guān)建議，最終形成應(yīng)用報(bào)告輔助勘察設(shè)計(jì)應(yīng)用。

2.2 基于時(shí)序DInSAR 差分干涉測(cè)量

當(dāng)需要長(zhǎng)時(shí)間段連續(xù)高精度沉降監(jiān)測(cè)且能夠收集到較多的SAR 數(shù)據(jù)時(shí)(一般不少于20 景)，宜采用時(shí)序DInSAR(如PSInSAR、SBAS)方法進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。以PSInSAR 方法為例，通過大量不同時(shí)期的SAR 數(shù)據(jù)構(gòu)建時(shí)間序列數(shù)據(jù)集(如圖3(a)所示)，根據(jù)振幅離差指數(shù)等指標(biāo)，從序列集中可以提取出SAR 影像中的PS 點(diǎn)作為觀測(cè)點(diǎn)，通過時(shí)序建模獲取PS 點(diǎn)的緩慢連續(xù)地表沉降信息，再進(jìn)行沉降量、沉降速率和沉降趨勢(shì)分析(如圖3(b)所示)。

圖3 時(shí)序DInSAR 過程和結(jié)果(單位：mm)

基于時(shí)間序列的DInSAR 差分干涉測(cè)量方法適用于數(shù)據(jù)量較多且對(duì)沉降監(jiān)測(cè)的范圍和精度要求較高的情況，以及長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)監(jiān)測(cè)的工程，如高鐵運(yùn)營(yíng)維護(hù)過程中的沉降監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)精度能夠達(dá)到mm 級(jí)。

3 應(yīng)用案例

3.1 雅萬(wàn)高鐵區(qū)域沉降監(jiān)測(cè)

(1)項(xiàng)目概述

雅萬(wàn)高鐵位于印度尼西亞爪哇島，連接印尼首都雅加達(dá)和印尼第二大城市萬(wàn)隆，全長(zhǎng)139 km。 資料顯示，雅加達(dá)歷史上存在比較嚴(yán)重的區(qū)域沉降，萬(wàn)隆市存在大范圍的軟土沉降區(qū)。 為深入了解雅萬(wàn)高鐵沿線歷史地面沉降及現(xiàn)階段沉降狀況，采用InSAR 技術(shù)對(duì)雅加達(dá)和萬(wàn)隆地區(qū)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，以準(zhǔn)確獲取沉降漏斗范圍、漏斗中心、歷史沉降量，線位與沉降區(qū)的關(guān)系，為鐵路選線、施工、運(yùn)營(yíng)提供精確的沉降資料。

(2)監(jiān)測(cè)結(jié)果

利用2014 年10 月～2016 年10 月34 景Sentinel-1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用時(shí)間序列PSInSAR 沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)萬(wàn)隆地區(qū)CK110～CK140 段落進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，CK117～CK140 處于萬(wàn)隆地區(qū)軟土層沉降區(qū)內(nèi)。 在沉降區(qū)內(nèi)，存在多個(gè)沉降漏斗，這些沉降漏斗或穿過線位，或距線位較近，鐵路沿線最大沉降速率達(dá)120 mm/a。 沉降曲線如圖4 所示。

圖4 萬(wàn)隆地區(qū)軟土層沉降監(jiān)測(cè)沉降等值線

基于2014 年10 月～2017 年4 月40 期Sentinel-1A/B 數(shù)據(jù)，利用時(shí)間序列PSInSAR 沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)雅加達(dá)市區(qū)沿線位地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn):①在雅萬(wàn)高鐵雅加達(dá)地區(qū)發(fā)現(xiàn)4 處沉降區(qū)域，分別位于DK10 ～DK16 左側(cè)，DK17 左側(cè)，DK16 ～DK19+500 左側(cè)，DK21～DK34 左側(cè)；②雖然線位未穿過沉降漏斗中心，但經(jīng)過3 處不均勻沉降位置，其沉降速率分別為35 mm/a、20 mm/a、15 mm/a(見圖6)。

圖5 雅加達(dá)DInSAR 沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖6 雅加達(dá)地區(qū)線位沉降速率(雅萬(wàn)高鐵萬(wàn)隆段DK104+000～DK142+000)

(3)通過對(duì)線位上PS 點(diǎn)的時(shí)間序列分析發(fā)現(xiàn)(如圖7)，3 個(gè)相關(guān)沉降漏斗區(qū)一直呈線性沉降趨勢(shì)，且沒有減緩的跡象，設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注。

3.2 京津城際亦莊段橋梁沉降監(jiān)測(cè)

(1)項(xiàng)目概述

京津城際是我國(guó)第一條高速鐵路，于2008 年8 月1 日通車運(yùn)行。 京津城際沿線通過幾處漏斗區(qū)，多年以來一直在沉降。 其中，主要有亦莊沉降區(qū)、武清沉降區(qū)、北倉(cāng)沉降區(qū)。 2014 年～2016 年期間，采用DInSAR技術(shù)對(duì)京津城際全線進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，主要內(nèi)容如下。見圖7。

圖7 PS 點(diǎn)沉降速率分析

①沿線區(qū)域沉降監(jiān)測(cè)

對(duì)京津城際沿線5 km 內(nèi)的區(qū)域沉降情況進(jìn)行分析，分析出重點(diǎn)沉降不均勻區(qū)域范圍及沉降量。

②結(jié)構(gòu)體沉降監(jiān)測(cè)

獲取京津城際鐵路構(gòu)筑物(路基、橋梁、隧道)沉降縱斷面。

③差異沉降監(jiān)測(cè)

高鐵構(gòu)筑物與地表之間的差異沉降，構(gòu)筑物不同結(jié)構(gòu)(路橋結(jié)合部)之間的差異沉降，同一構(gòu)筑物內(nèi)部的差異沉降(橋墩之間)。

(2)監(jiān)測(cè)結(jié)果

①全線區(qū)域沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖8 是采用低分辨率的Sentinel 衛(wèi)星處理的京津城際全線地表區(qū)域沉降速率示意，由圖8 可知，全線主要的沉降漏斗區(qū)有3 處，監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)年沉降速率最大100 mm。

圖8 京津城際全線地表區(qū)域沉降速率示意

②結(jié)構(gòu)體監(jiān)測(cè)

圖9 是利用1 m TSX 數(shù)據(jù)處理的京津城際構(gòu)筑物沉降速率對(duì)比分析示意，其中，粉色點(diǎn)表示InSAR 監(jiān)測(cè)的PS 點(diǎn)的沉降速率，藍(lán)色點(diǎn)表示水準(zhǔn)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)沉降速率，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，平均中誤差優(yōu)于3.8 mm/a。

③差異沉降分析

圖10 是高鐵構(gòu)筑物沉降跟地表區(qū)域沉降的差異分析，采用線上線下分開評(píng)價(jià)思路，提取線上結(jié)構(gòu)體沉降，高鐵線下地面沉降，以及周邊沉降，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)分結(jié)構(gòu)體沉降和工后沉降的目標(biāo)，以評(píng)價(jià)周邊區(qū)域沉降的演變對(duì)高鐵結(jié)構(gòu)體影響。

圖11 是高鐵結(jié)構(gòu)上相鄰PS 點(diǎn)的差異分析及CPIII 差異沉降分析。 通過分析相鄰CPIII 點(diǎn)位處InSAR 監(jiān)測(cè)和水準(zhǔn)觀測(cè)結(jié)果的差異，可以發(fā)現(xiàn)二者的高度吻合，說明1 m TSX 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高鐵縱向差異沉降成果的獲取，對(duì)高鐵差異超限段落里程的核查和評(píng)價(jià)，以及對(duì)高鐵過渡段的精細(xì)監(jiān)測(cè)。

圖9 京津城際構(gòu)筑物沉降速率對(duì)比分析

圖10 京津城際構(gòu)筑物沉降速率對(duì)比分析

圖11 京津城際高鐵構(gòu)筑物上PS 點(diǎn)差異沉降分析

4 結(jié)論

(1)DInSAR 技術(shù)應(yīng)用于鐵路區(qū)域沉降監(jiān)測(cè)，更容易發(fā)現(xiàn)歷史上煤礦開采形成的采空區(qū)及鐵路沿線的區(qū)域沉降，能夠輔助分析沉降原因。

(2)基于時(shí)間序列的差分干涉測(cè)量技術(shù)具有mm級(jí)的監(jiān)測(cè)精度，且隨著數(shù)據(jù)量的積累，其監(jiān)測(cè)可靠性越來越高，能夠探測(cè)到微小形變，可以用于監(jiān)測(cè)高鐵構(gòu)筑物的微小沉降。

(3)根據(jù)DInSAR 監(jiān)測(cè)的地表沉降結(jié)果，使得現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查的目標(biāo)更加明確，減少了外業(yè)工作量，極大提高調(diào)查效率。

(4)根據(jù)DInSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行控制點(diǎn)的沉降分析，可以將控制點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn))布設(shè)在更加合理的位置。