多轨道集成PS-InSAR监测高速公路沿线地面沉降研究―――以京沪高速公路(北京―河北）为例

张学东，葛大庆，肖 斌，张 玲，侯妙乐

(1.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 100044；2.现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100044；3.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083；4.江西核工业测绘院，江西南昌 330038）

多轨道集成PS-InSAR监测高速公路沿线地面沉降研究―――以京沪高速公路(北京―河北）为例

张学东1，2，葛大庆3，肖 斌4，张 玲3，侯妙乐1

(1.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京 100044；2.现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京 100044；3.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083；4.江西核工业测绘院，江西南昌 330038）

一、引 言

近年来，由于中国经济的快速发展，对地下水资源需求量不断增加，使原有的地下水沉降漏斗范围逐渐扩大，发生了区域性地面沉降灾害，特别是公路沿线地区，如公路路基持续沉降甚至不均匀沉降，公路路线竖向发生变化，公路结构物和路面间出现明显竖向位移差异，进而导致桥头跳车等危害，同时造成沿线的地面标高失效等。并且，公路、铁路运输日益繁荣，车流量不断增大，区域性地面沉降对线性交通工程的影响将会越来越大。因此，开展公路等线性工程沿线区域地面沉降监测，加强地面沉降治理，已成为保证公路等线性工程正常建设和运营的一项重要的基础性工作[1-4]。

二、研究方法

1.PS-InSAR技术

合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR）技术是以分析合成孔径雷达复数影像的相位信息来获取地表变化的技术。在实际应用中，由于受大气效应和去相干的影响，严重地制约了常规D-InSAR在地表形变监测方面的应用，尤其对于地面沉降这种缓慢累积形变而言，时间去相关问题尤为突出。为了克服传统D-InSAR的局限性，人们提出了永久散射体差分干涉测量(permanent scatterers InSAR，PS-In-SAR）技术[5-6]，其原理是对永久散射体(permanent scatterers，PS）干涉相位进行时间序列分析，根据各相位分量的时空特征，估算大气波动、数字高程模型(digital elevation model，DEM）误差及噪声等，并将其从差分干涉相位中逐个分离，最终获取每个PS的线性和非线性形变速率、大气延迟量(atmosphere phase screen，APS）及DEM误差的过程。

2.多轨道集成

公路、铁路等大型线性工程往往横跨几百千米，具有分布范围广、不规则等特点，而常用的ENVISAT卫星数据每景覆盖范围为100 km×100 km。因此，为了能够监测这些大区域的地面沉降现象，需要解决数据跨轨道的问题。于是人们提出了多轨道集成的思想，其本质是将不同轨道下获取的相干目标形变参数(经时序分析得到的地表形变速率、形变量及高程改正等参数）进行准确拼接[7-8]。拼接过程分为两步：

第一步是相邻轨道坐标系统的统一，建立“主轨道”几何[7]，其公式表达为

式中，Δx、Δy分别为主辅影像x、y方向的像对偏移量；p为多项式阶数；a、b为多项式系数。

第二步是将PS-InSAR估算的参数联合，如地表形变速率、形变量及高程改正等；同时，重叠区域的多余观测为不同轨道间地表形变监测结果集成和可靠性检验提供了必要的联系数据[7-8]。其公式表达为

式中，Δvoff为框架之间基准偏差；vmi为主影像相干目标i的形变速率；vsi为辅影像相干目标i的形变速率；＾vsi为改正后辅影像相干目标形变速率；¯vi为基准统一后相干像元i的形变速率；Pmi、Psi分别为主、辅轨道的权重因子。

三、数据处理

1.京沪高速公路介绍

京沪高速公路是中国大陆第一条全线建成高速公路的国道主干线，起点在北京，途经天津、河北、山东、江苏，终点在上海，全长约为1262 km。它是华北经济区与长江三角洲经济区连接的重要陆上通道，对繁荣华北、华东地区各省市经济起着重要的纽带作用。

2.数据处理

本文使用PS-InSAR技术，借助2008―2010年间获得的相邻轨道(Tarck-218和Tarck-447）的ENVISAT ASAR数据和SRTM 90 m分辨率的DEM数据，对京沪公路(北京―河北）沿线区域地面沉降信息进行提取并分析，具体处理过程如下：

1）单轨道沉降信息的生成。根据PS-InSAR技术，首先，选择时间间隔小于2 a和空间基线小于±300 m的像对进行合理组合；其次，采用基于振幅离差指数和点目标识别的联合估计方法从单一单视复数数据(SLC）和单视复数数据集(SLC stack）来识别可靠的相干目标[9-10]；最后，通过相干目标差分相位的时域特征分析实现形变参数的估计，得到单轨道数据的沉降信息。

2）相邻轨道数据的集成。由于公路线路很长，跨越了雷达数据的两个相邻轨道，因此，根据多轨道PS-InSAR集成的方法，首先统一相邻轨道数据的坐标系和参考基准，然后将相邻轨道数据集成起来(如图1所示）。

图1 多轨道(轨道218和447）沉降速率图

3）公路沿线沉降信息及沉降剖面的提取。为了更好地研究公路沿线区域受地面沉降影响情况，采用缓冲区方式成功提取了公路沿线6 km范围内的沉降信息(如图2所示），然后根据沉降情况建立了公路沿线区域的沉降剖面图(如图3所示）。

图2 京沪高速公路(北京―河北）沿线6 km缓冲区范围内沉降速率图

图3 京沪高速公路(北京―河北）沿线沉降剖面图

四、结果分析

根据京沪高速公路(北京―河北）沿线多轨道地面沉降速率(如图1所示）、沿线6 km范围内的地面沉降速率(如图2所示）及地面沉降剖面(如图3所示），分析发现，该段存在9个典型沉降中心，沿线6 km范围内最大沉降速率超过82 mm/a，9个典型沉降中心依次为：

1.廊坊沉降中心

据PS-InSAR监测结果，廊坊市北部地面沉降较严重，公路沿线6 km范围内最大沉降速率为69 mm/a，有逐渐向南发展的趋势，其沉降中心如图4所示。地下水位监测资料表明[11]，廊坊沉降中心为典型的单一中心的沉降漏斗，形成原因是长期抽取深层地下水所致。廊坊沉降中心水位已经低于临界水位，虽然近年来略有回升，但地面沉降仍持续发展，对于区内的多条线路都有影响，部分路段已出现桥梁开裂等破坏现象，对于京沪公路和京沪铁路等线路，控制形势依然严峻，应引起高度重视。

图4 廊坊沉降中心

2.北辰、西青和静海沉降中心

京沪高速公路在天津市范围内的沉降中心如图5所示。其中，北辰沉降中心为天津市西北部新发展起来的沉降漏斗。近年来工农业发展对地下水需求量不断增加，地下水开采量逐步增大，导致了北辰沉降中心在公路沿线6 km范围内年最大沉降速率达到82 mm/a。

图5 北辰、西青和静海沉降中心

西青区沉降带与河北霸州相连，形成了目前天津西部最大的沉降带，公路沿线普遍沉降速率为20～60 mm/a。主要沉降中心有独流镇、汊沽港镇和王庆坨镇等，最大沉降中心为胜芳镇，沉降速率超过140 mm/a。

静海县沿着京沪高速公路(北京―河北）存在有2个明显的沉降中心：静海北部和中部沉降中心。县城以南往青县方向，处于快速沉降地区，沉降速率为50～60 mm/a，其中陈官屯一带尤为突出。

近年来，天津市的地面沉降已向西青和静海地区转移，西青区地面沉降继续向西扩展，与霸州沉降带连为一体，而静海地区沉降漏斗不断增加，逐步向南扩展，与青县逐步连接起来。

3.青县、沧县、泊头和东光沉降中心

京沪高速公路在沧州市境内有4个沉降中心，如图6所示。其中，青县和沧县沉降区呈大范围的平均沉降；而泊头和东光为典型的单一沉降漏斗，且不断扩大。整个沧州地区的地面沉降随着地下水位的持续下降而不断发展。青县沉降漏斗在清州镇为最大，达到50～60 mm/a。泊头沉降中心超过60 mm/a，而东光漏斗中心达到80～90 mm/a，位于县城北部，该地区沉降主要为生产生活采水所致。京沪公路经过处差异沉降显著，特别是东光县城，对线性工程潜在的破坏作用明显。

图6 青县、沧县、泊头和东光沉降中心

相关研究表明[12]，廊坊、天津和沧州地面沉降与地下水位变化均呈指数关系，地面沉降略滞后于地下水位变化，并存在明显的临界水位。华北平原中东部压缩层自北向南深度逐渐加大，地层时代则由新变老，而粘性土比例及厚度以天津至沧州段内最大。由此决定了地面沉降呈现出天津至沧州段最为严重、向两侧逐渐减缓的规律，这给该区域内的公路等线性工程造成了极大的影响和危害。

五、结 论

本文以多轨道PS-InSAR集成的方法，研究了京沪公路(北京―河北）沿线的地面沉降情况，并得到一些结论：

1）该方法不仅统一了不同轨道间影像的坐标系与参考基准，而且使跨轨道、多幅影像的大范围PS-InSAR监测成为现实。

2）确认了京沪公路(北京―河北）沿线中的9个沉降中心，分析了沿线6 km范围内的地面沉降情况，结果与已有研究相吻合[12]。因此，PS-InSAR监测结果可为公路等线性工程的地面沉降控制提供数据参考，为保证线性工程的安全运营服务。

为进一步检验PS-InSAR监测结果的精度，今后将通过收集试验区GPS或水准测量等实测数据，来进行相互比较和验证。

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Study on Multi-track Integration PS-InSAR Monitoring the Land Subsidence along the Highway——Taking JingHu Highway(Beijing-Hebei）as an Example

ZHANG Xuedong，GE Daqing，XIAO Bin，ZHANG Ling，HOU Miaole

监测和治理公路等线性工程沿线地面沉降是保证线性工程正常运营的一项重要基础性工作。本文以京沪公路为试验区，基于2008―2010年相邻轨道的ENVISAT ASAR数据，利用多轨道永久散射体差分干涉测量(PS-InSAR）技术集成方法成功提取了京沪公路(北京―河北）沿线的沉降速率图和沉降剖面图。试验结果表明，该方法不仅统一了不同轨道间影像的坐标系与参考基准，而且使跨轨道、多幅影像的大范围PS-InSAR监测成为现实；同时，确认了京沪公路(北京―河北）沿线的9个沉降中心，分析了沿线6 km范围内的地面沉降情况，该结果与已有研究相吻合。因此，PS-InSAR集成方法丰富了线性工程沿线地面沉降的监测手段，可为线性工程的正常运营提供基础性数据。

地面沉降；高速公路；多轨道；永久散射体差分干涉测量(PS-InSAR）技术

P237

B

0494-0911(2014）10-0067-03

2013-08-19

现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室开放课题(20131204NY）；北京建筑大学博士基金(00331614025）

张学东(1979―），男，河北唐山人，讲师，从事InSAR、PS-InSAR与TomoSAR技术及应用工作。

张学东，葛大庆，肖斌，等.多轨道集成PS-InSAR监测高速公路沿线地面沉降研究―――以京沪高速公路(北京―河北）为例[J].测绘通报，2014(10）：67-69.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0331