李紅梅，郭在潔，劉慶施，黨彥

1. 青島濱海學(xué)院 建筑工程學(xué)院，山東 青島 266555；2. 山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590

修建地鐵是緩解城市地面交通壓力、提高市民出行質(zhì)量、彰顯城市文化及魅力的重要舉措.地鐵大部分位于地面以下，由于施工的原因會對周圍土體產(chǎn)生不同程度的影響，可能造成地面塌陷、建筑或構(gòu)筑物出現(xiàn)不同程度沉降變形，嚴(yán)重的甚至影響地鐵施工安全以及地面建筑物或構(gòu)筑物的使用安全，因此施工中必須對地鐵沿線地表沉降進(jìn)行實時監(jiān)測.

目前，地鐵沿線地表變形監(jiān)測的主要手段為水準(zhǔn)測量和地形測量，但是在大范圍的測區(qū)中，傳統(tǒng)測量方法受到很大限制.合成孔徑干涉雷達(dá)測量作為一種新型測量技術(shù)，因其精度高、測繪速度快、覆蓋范圍廣等優(yōu)點在礦山測量、滑坡監(jiān)測、地表形變測量等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-4].國內(nèi)外許多學(xué)者利用InSAR技術(shù)對地表形變展開監(jiān)測和研究，如Chen W F等[5]利用28景Radarsat-2數(shù)據(jù)，基于PS-InSAR技術(shù)獲取了北京地鐵6號線2010年4月至2013年9月期間部分路段的沉降信息，并結(jié)合熵值法分析沉降分布的穩(wěn)定性；范雪婷等[6]利用30景COSMO-Sky Med數(shù)據(jù)獲取了南京市的地表沉降信息，并分析了南京市地鐵網(wǎng)絡(luò)的形變特征；謝文斌等[7]利用17景Sentinel-1數(shù)據(jù)獲取撫順地區(qū)的沉降信息，并結(jié)合信息熵對沉降區(qū)域的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了評價；劉琦等[8]利用85景Sentinel-1數(shù)據(jù)，獲取了佛山市2015-2018年的地表形變信息，并結(jié)合Logistic函數(shù)模型預(yù)測沉降變化情況.總體來講，InSAR技術(shù)監(jiān)測區(qū)域多以塊狀區(qū)域監(jiān)測研究為主，線狀區(qū)域監(jiān)測相對較少.

青島地鐵1號線是國內(nèi)最深且最長的地鐵海底隧道，沿線共穿越4組14條斷裂帶.受地質(zhì)條件及施工影響，2019年6月至7月發(fā)生2次塌方，造成一定的人員傷亡及財產(chǎn)損失，其他在建地鐵線路沿線也屢有沉降現(xiàn)象發(fā)生.青島地鐵工程目前多采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行監(jiān)測，利用InSAR技術(shù)對青島地鐵沿線的形變信息監(jiān)測相對較少.隨著青島地鐵工程的密集建設(shè)與發(fā)展，對地鐵工程沿線地表進(jìn)行快速、廣泛、高效地形變監(jiān)測極為重要.

本文利用青島地鐵1號線西海岸新區(qū)段的29景Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)，采用小基線集技術(shù)(SBAS-InSAR)進(jìn)行處理，獲取了2018年5月至2020年5月青島地鐵1號線西海岸新區(qū)路段的沉降信息，對沉降重點區(qū)域進(jìn)行了分析.

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

青島市軌道交通遠(yuǎn)景年線網(wǎng)共規(guī)劃16條線路，目前已經(jīng)通車的有2號線、3號線、11號線、13號線，在建的有1號線、4號線、6號線和8號線，未來5年還將有5號線、7號線、9號線、14號線、15號線相繼開工.青島地鐵1號線于2016年3月全線開工，是一條跨越膠州灣的海底地鐵線路，全長約60.14 km，連接西海岸新區(qū)和市南區(qū)、市北區(qū)、李滄區(qū)、城陽區(qū)5個轄區(qū)，總體呈南北走向，劃分為南段、中段和北段.西海岸新區(qū)處于北緯35°35′-36°08′、東經(jīng)119°30′-120°11′，該區(qū)位于膠州灣西岸，斷裂構(gòu)造密度相對較低，但北部和東南部斷裂分布較密集.北東向斷裂主要分布在新區(qū)東南部薛家島—靈山衛(wèi)一帶，多為膠東半島上若干規(guī)模較大的斷裂(如郭城—即墨斷裂、王哥莊斷裂、滄口斷裂等)在膠州灣西岸的延伸，均具有正斷層性質(zhì)，并伴有一定左旋走滑特征，對于地鐵建設(shè)和運營產(chǎn)生了極大的威脅[9-10].本文選擇青島地鐵1號線西海岸新區(qū)段作為研究對象(圖1)，該段隧道已于2020年3月全線貫通，尚未通車.

1.2 數(shù)據(jù)來源

Sentinel-1A是歐洲空間局哥白尼計劃于2014年發(fā)射的第一顆環(huán)境監(jiān)視C波段衛(wèi)星，空間分辨率為5 m×20 m，Sentinel-1B于2016年發(fā)射，單顆衛(wèi)星的重訪周期為12天，2顆衛(wèi)星協(xié)同工作，重訪周期可縮短為6天；其數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣、重訪周期短、多極化等特點[7].本文獲取了2018年5月至2020年5月期間青島市地鐵1號線西海岸新區(qū)段的29景Sentinel-1A影像數(shù)據(jù)，詳細(xì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)參數(shù)見表1.此外本文還采用美國國家航空航天局30 m的DEM消除地形相位引起的偏差.

圖1 青島地鐵1號線西海岸新區(qū)段地理位置

表1 Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)參數(shù)信息

2 SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程

2.1 小基線集技術(shù)(SBAS-InSAR)原理

小基線集技術(shù)(SBAS-InSAR)是2002年由Berardino等[11]提出的一種新的InSAR時間序列分析方法，它克服了傳統(tǒng)D-InSAR中存在的時間、空間失相干和大氣效應(yīng)的限制性因素，有效提高了時空的相關(guān)性以及去除大氣延時相位的影響.通過對差分干涉圖的多視處理降低相位噪聲，提取高相干像元，應(yīng)用奇異值分解法求得影像序列間地表相變速率的最小范數(shù)最小二乘解[12-15].其基本原理如下：

假設(shè)研究區(qū)內(nèi)有N+1幅雷達(dá)影像，獲取的時間依次為t0，t1，…，tN，選擇其中一幅影像作為公共主影像，都能至少與其他一幅影像進(jìn)行干涉，得到M幅干涉圖，滿足：

(1)

假設(shè)在tA和tB時刻獲得的2景SAR影像，并已去除地形相位，且tA

(2)

其中：λ表示雷達(dá)波長；d(tA，x，r)和d(tB，x，r)分別為tA和tB時刻像元(x，r)相對于初始時刻t0的方向地表LOS形變，則有：

(3)

d(t0，x，r)=0

如果IE=[IE1…IEM]和IS=[IS1…ISM]分別為干涉數(shù)據(jù)處理時按時間順序排列的主影像序列，并且滿足

IEj>ISjj=1，2，…，M

(4)

則所有的差分干涉圖相位可以組成如下觀測方程

δφj=φ(tIEj)-φ(tISj)

(5)

將公式(5)轉(zhuǎn)換成線性方程

Aφ=δφ

(6)

(7)

2.2 數(shù)據(jù)處理過程

青島地鐵1號線西海岸新區(qū)段地表沉降SBAS-InSAR影像處理流程如圖2.首先將所獲得的Sentinel-1A原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成SLC數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪預(yù)處理，本次試驗數(shù)據(jù)的跨度為2年，將時間基線閾值設(shè)置為90 d，選擇2019年7月27日的影像作為超級影像，共生成76個干涉對(圖3)；采用二軌法進(jìn)行差干涉，采用Goldstein濾波方法設(shè)置相位解纏相干系數(shù)為0.35，并利用Delaunay方法進(jìn)行相位解纏；在解纏后的干涉圖中選擇20～30相干性較好的點，采用軌道精煉多項式估算相位偏移量，并基于控制點對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行重去平，其中部分干涉圖和相干系數(shù)圖如圖4(a)和4(b)所示，采用SVD方法解算得到研究區(qū)的形變速率信息和高程.利用估計的殘余地形對干涉圖進(jìn)行去平，并重新解纏和軌道精煉，優(yōu)化解纏結(jié)果，如圖4(c)所示；在第一次估算形變速率基礎(chǔ)上進(jìn)行定制的大氣濾波，從而估算和去除大氣相位，得到更加純凈的時間序列上的最終位移結(jié)果，最后將結(jié)果編碼到WGS-84坐標(biāo)系的下，得到平均形變速率圖.

圖2 SBAS-InSAR技術(shù)流程圖

圖3 時空基線圖

3 結(jié)果分析

3.1 地鐵沿線的沉降監(jiān)測分析

本文選擇青島地鐵1號線西海岸新區(qū)路段作為主要研究對象，并對沿線兩側(cè)構(gòu)建的600 m的緩沖區(qū)域進(jìn)行分析.從圖5整體看來，沉降主要集中在地鐵站附近，大部分地區(qū)的沉降速率為-5～0 mm/a.沉降嚴(yán)重區(qū)域路段的主要沉降區(qū)域位于安子站至安子?xùn)|站區(qū)間及附近(白色虛線矩形框內(nèi))，最大沉降速率達(dá)到-49 mm/a，另外本文在29期累積沉降圖中選取了6個時間點的累積沉降圖，安子站至安子?xùn)|站區(qū)間隧道已于2018年10月全線貫通，從圖6中可以看出在2018年10月19日，研究區(qū)的沉降量最大不超過-20 mm，后期隨著時間的推移，安子?xùn)|站東北側(cè)與西北側(cè)的沉降量逐漸增大，可能是由該段的地質(zhì)情況(該地段位于構(gòu)造剝蝕區(qū)，濱海堆積區(qū)[9])和建筑物施工建設(shè)所引起，其中安子?xùn)|站附近的土質(zhì)大部分為粉質(zhì)黏土，地鐵施工有可能加劇了該地區(qū)的地面沉降，但是由地鐵建造所引起的大規(guī)模沉降的可能性較小.利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取的青島地鐵1號線西海岸新區(qū)段地表沉降監(jiān)測結(jié)果，與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量監(jiān)測結(jié)果以及地鐵1號線西海岸新區(qū)部分地段地表沉降現(xiàn)場實勘(如圖7，其中a，b為現(xiàn)場實勘圖，c圖是獲取的谷歌影像圖)基本一致.

圖4 部分相干系數(shù)圖、去平后干涉圖及最終相位解纏結(jié)果圖

圖5 安子站及安子?xùn)|站區(qū)間沉降速率

圖6 安安區(qū)間6個時間節(jié)點的累積沉降沉降圖

3.2 地鐵沿線沉降剖面分析

在地鐵運行的過程中無論地面沉降還是抬升，都會對軌道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而影響到地鐵穩(wěn)定的運營.為進(jìn)一步分析地鐵沿線的沉降變化情況，本文繪制了從過海處至峨眉山路站地鐵中心線的沉降速率剖面圖(圖8)，從圖中可以得出，0點到1 000 m處，沉降速率出現(xiàn)較大波動，變化極快，最大沉降出現(xiàn)在起點位置，沉降速率超過-10 mm/a；其次在安子站至安子?xùn)|路站附近，沉降呈現(xiàn)出“W”型波動，起伏比較大.整體來看，青島地鐵1號線西海岸新區(qū)段除幾處沉降稍顯著外，整體沉降比較平穩(wěn).

3.3 地鐵沿線的沉降預(yù)測

為更好地為青島西海岸新區(qū)地鐵施工建設(shè)及運行期間制定地表安全預(yù)案以及合理開發(fā)地下空間提供數(shù)據(jù)依據(jù)，本文利用Logistic函數(shù)模型預(yù)測地鐵1號線西海岸新區(qū)段地面沉降趨勢.在隧道開挖完后，logistic函數(shù)曲線可以較好地反映地鐵隧道沉降的發(fā)生、發(fā)展及逐漸穩(wěn)固的長期動態(tài)變化過程.

(8)

圖7 地鐵1號線西海岸新區(qū)部分地段地表沉降現(xiàn)場實勘

圖8 地鐵1號線西海岸新區(qū)段沉降速率

圖9 Logistic函數(shù)對地鐵1號線沉降預(yù)測曲線

其中：wt表示時刻t的沉降值；參數(shù)a和c是模型的2個比例因子；b表示沉降區(qū)穩(wěn)定時最大的沉降值[16].本文在安子站至安子?xùn)|站區(qū)間段選擇沉降較為嚴(yán)重的點作為預(yù)測對象，該區(qū)間段于2017年11月下旬動工，于2018年10月實現(xiàn)雙線貫通，利用Logistic函數(shù)模型對該區(qū)間地表沉降趨勢作出預(yù)測.從圖9可以看出，自監(jiān)測日期開始至2020年該點一直處于持續(xù)下沉狀態(tài)，2019年下半年開始，沉降速率開始下降，2020年后沉降逐漸趨于穩(wěn)定.

4 結(jié)束語

本文采用29景Sentinel-1A遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了2018年5月至2020年5月青島市地鐵1號線西海岸新區(qū)段的形變信息，發(fā)現(xiàn)該路段的主要沉降區(qū)域位于安子站至安子?xùn)|站北側(cè)及附近，最大沉降速率達(dá)到約-49 mm/a，最大累積沉降量達(dá)到約-103 mm；其他區(qū)域的沉降速率為-5～0 mm/a；在0～1 000 m段以及安子站至安子?xùn)|站段，沉降速波動較大，究其原因與地鐵工程施工、地質(zhì)環(huán)境及附近在建工程有必然聯(lián)系.結(jié)合Logistic函數(shù)模型預(yù)測安子?xùn)|站至安子站的路段地面沉降會在2020年后逐漸趨于穩(wěn)定.SBAS-InSAR技術(shù)在青島地鐵1號線西海岸新區(qū)段地表形變監(jiān)測中的成功應(yīng)用，可以為青島在建地鐵工程及未來規(guī)劃線路的建設(shè)提供有效支持，為城市地下空間開發(fā)和運營提供數(shù)據(jù)輔助決策.

致謝：感謝山東科技大學(xué)陶秋香教授和蘇寶勝教授的討論.