基于SBAS的采动区高速路沉降监测与分析

2016-02-25严剑锋杨俊凯赵伟颖

测绘通报 2016年1期

关键词：水准基线路段

严剑锋，杨俊凯，赵伟颖，殷　建

严剑锋1，杨俊凯2，赵伟颖2，殷建1

(1. 南京市国土资源信息中心，江苏南京 210005； 2．中国矿业大学环境与

测绘学院，江苏徐州 221116)

本文采用SBAS技术提取采空区上方高速公路高相干点的时序沉降量，并利用试验证明了SBAS技术具有监测线状建筑的能力，对建筑物下采煤的安全监测具有重要意义。

一、SBAS沉降监测基本原理

2002年，Berardino和Lanari等提出小基线集(SBAS)方法，通过设定一定的时间、空间阈值自由组合干涉对，削弱时、空失相关的影响。SBAS在SAR影像数量一定的情况下，可以形成更多的干涉对，提高相位观测量，增加多余观测量，有利于提高最终解算结果的精度。

若存在覆盖同一地区的N幅单视复数SAR影像，其成像时间分别为t0，t1,…，tN-1，且每景影像至少能和其他一幅影像组成满足一定条件的干涉对，这一条件可以是设定的垂直基线阈值或垂直基线与时间基线的双阈值。根据该阈值将影像分组，每组影像差分干涉处理，得到K幅干涉图

(1)

k=0,1,…,N

(2)

式中，λ为雷达波长；d(tA,x,y)和d(tB,x,y)分别为像元(x,y)在tA、tB时刻相对参考时刻t0的雷达视线方向(LOS)上的地表形变。

因此，每幅SAR影像所对应的差分相位的时间序列Φ与每个差分干涉图相位的时间序列δΦ的关系为

(3)

式中，A是一个K×N的系数矩阵。

由于系数阵A秩亏，通过奇异值分解法(SVD)求出形变参数、高程误差最小范数意义上的最小二乘解。因此，每个观测时刻形变量为

(4)

设起始时刻形变相位为0，即令φ(t0)=0，则可得到N个形变累积量为

φ(tN-1)-φ(t0)]T

(5)

二、数据选择与处理

选用8景覆盖某高速影响路段的ALOS PALSAR数据，时间跨度为2007年2月—2010年2月。

设定的最大时间基线为600 d，垂直基线阈值为临界基线的40%，得到18个干涉对。选择2009年1月10日获取的SAR影像为主影像，距离向和方位向的多视系数分别设为4和1，根据干涉对组合，主辅影像配准共轭相乘后得到干涉图，经过相关处理最终能到雷达视向线的沉降速率，与时间作积分，得到雷达视向线的沉降场，再由式(6)得到垂直方向的沉降量

(6)

式中,V、L分别是沿垂直方向和视线方向的形变量；θ为雷达的入射角。

三、试验结果分析

1. 试验区沉降场的提取

研究区域位于江苏北部的高速公路。通过SBAS处理得到研究区域2007—2010年时序累计沉降图。由于煤矿开采，监测时段内形成了影响范围约300 m的下沉盆地，而高速公路距采动影响边界达180 m左右，说明煤矿开采已经影响到了附近的高速公路路段。

从沉降量看，采空区下沉盆地中心3年的最大下沉量已经超过了400 mm，而高速路段3年的最大下沉量达到了200 mm左右。在2007年2月—2008年2月，高速公路影响路段最大下沉量约80 mm，2008—2009年间，高速公路持续受到采矿活动的影响，最大下沉达到70 mm，2009—2010年间，高速公路影响路段最大下沉约50 mm。

2. 精度评定

2007年6月—2009年6月期间，利用水准仪对布设于高速公路东侧沿高速路方向设置的30个水准点进行了5次观测。本文选取18个测量数据比较全的水准点验证SBAS的处理结果。由于现有水准数据测量时间与影像的成像时间不吻合，本试验将地面实测数据进行插值处理，得出2008年2月—2009年2月的插值数据，基于ArcGIS软件平台，在对应水准点位处提取SBAS获取的2008—2009年间的沉降值，将其与实测水准数据比较, 如图1所示。SBAS监测结果相对于水准值的误差分布，见表1。

图1　水准与SBAS监测值比较

由图1可知，SBAS监测时序变化值与水准测量时序变化值变化趋势相同。通过对比SBAS监测值相对于水准测量值的误差分布(见表1)，SBAS监测值最大误差为18.7 mm，最小误差仅为0.5 mm，中误差为8.7 mm。试验结果说明SBAS监测值具有较高的精度。

表1　水准值与SBAS监测值误差统计　mm

续表1　mm

3. 采动区上方高速公路影响程度分析

图2为提取的2007—2010年间总的下沉等值线图，并且沿路面以北部下沉量为10 mm的点为起点等间隔选取一系列的点，组成下沉曲线图(如图3所示)。可以看出，最大坡长约为500 m，最大下沉为207 mm，整个路面的坡度0.041%，均小于《采空区公路设计与施工技术细则》中规定的高速公路、一级公路的最小纵坡长和坡度限制，因此，采矿活动不影响附近高速公路的正常使用。3年间高速公路影响路段平均下沉速度为0.2 mm/d,属于缓慢下沉，不影响高速公路的正常通车。

四、结束语

本文未考虑运行车辆荷载及地震等自然灾害对采空区残余形变的影响，还需对高速影响路段进行持续监测；且高速公路位于下沉盆地边缘地带，该区域属于裂缝拉伸区，对路基，路面等易形成微小的拉伸性裂缝，应加强对高速公路采煤影响路段进行定期的检查和养护，保障行车安全。