地基雷达干涉测量技术在城轨交通变形监测中的应用

饶 雄，曹成度，滕焕乐，江利明，周桥立，黄荣刚，高斌斌

（1. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063；2. 大地测量与地球动力学国家重点实验室、中国科学院测量与地球物理研究所，湖北武汉 430063；3. 北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101）

0 引言

地基 InSAR 是近年来发展起来的一种微变形远程监测技术，集成了步进频率连续波或调频连续波、合成孔径雷达技术和干涉测量等多种先进技术。该新型监测技术具有全天候、全天时、大范围、多角度的观测能力，能够获取高精度、高分辨率的形变信息，可对目标区域进行长时间连续自动观测，其理论形变监测精度可以达到亚毫米级。目前，地基 InSAR 技术在国内外较为成熟，已应用于人工边坡、大坝、冰川、地表沉降等变形监测，然而，该技术在地铁施工形变监测方面鲜见。

本文以武汉地铁 8 号线梨园站施工区域为例，采用地基 InSAR 技术对施工区域进行连续监测，获取其周边地面及建筑物的形变场及其形变演变过程，分析地铁施工对周边基础设施的影响程度。

1 监测区概况

监测区为武汉地铁 8 号线梨园站施工现场，车站采用倒边法半盖挖半明挖顺筑法进行施工。施工周边区域有徐东大道、东湖中学、建设银行、国网大厦等重要基础设施（图 1）。该施工区域人流密集、机动车车速较快，传统地面监测技术难以在高密度的人车途经区域实施大范围、自动化作业。因此，在该区段地下盾构施工期间，利用地基 InSAR 技术对其地表形变进行全天候、远距离、实时自动化监测。

图1 地铁施工现场

2 监测数据处理与评价

2.1 数据采集

利用地基 InSAR 系统对监测区实施了长达 15 天的连续观测，监测时段为 2016 年 5 月16 日至 5 月 30 日，期间曾出现暴雨天气。地基 InSAR 系统安置于中国科学院测量与地球物理研究所楼顶（图 2），主要观测参数见表 1。本次观测共获取 3 313 景原始雷达数据。

图2 地基 InSAR 测量系统

表1 InSAR 测量系统主要观测参数

2.2 数据处理

在数据采集完成后，对原始雷达影像进行处理，包括阈值设置、数据定标、图像配准、干涉测量、干涉图滤波、相位解缠、大气改正等，最终得到地铁周边地面及建筑物的形变场。

2.2.1 预处理

（1）选取一部分连续的原始测量数据，设置热信噪比、估计信噪比、相干系数、相位稳定性等阈值。本次测量中，热信噪比大于 10 dB，估计信噪比大于 10 dB，相干性大于 0.5，相位稳定性大于 0.3。

（2）利用 IBIS-DV 软件对选中的雷达数据进行分析，确定合适的定标和聚焦参数，并利用确定的阈值、定标和聚焦参数对所有原始雷达数据进行处理，得到符合雷达干涉处理要求的数据。

2.2.2 干涉处理

对雷达数据进行干涉处理。选择第一幅影像为主影像，分别与其他影像进行干涉，每 2 景影像的相位共轭相乘便可得到其干涉图，进而将干涉图中的相位变化值转换为目标物的位移量。在此过程中，噪声导致了干涉相位信噪比的降低，有必要采用均值滤波等方法进行去噪处理。由于噪声的存在，干涉图的相位数据以及形变结果都出现不连续、不一致等现象，而滤波后结果显示，相位和形变结果都具有很好的连续性。

2.2.3 大气校正

地基 InSAR 监测结果易受大气扰动和各种噪声等环境因素的影响，为了减弱这些影响，需要在监测区域选取稳定点作为参考点，对移动目标监测结果进行大气扰动改正。根据监测区实际地形情况，在地铁施工区较远的建筑物上选取 2 个 GCP 点，GCP 时间变化序列主要受温度变化影响较大，温度变化剧烈的时间段环境控制点的位移变化也大。因此，采用 GCP 点对形变场中的每个像素进行校正，可得到每个像素点的真实位移，最终得到监测区形变场（视线向）。

2.3 数据质量评价

评价地基 InSAR 数据质量的主要参数为反射强度和相干性。目标区域的信号反射强度值越大，表明目标物的信号反射能力越高，数据质量越好。

图3 为观测现场雷达信号反射强度图，图中 a（中国建设银行所在写字楼）、b（地铁站施工区）、c（路中间铁质护栏）、d（国家电网单位围墙）、e（国家电网办公楼）、f（国家电网保安室）、g（湖北省电力试验研究院保安室）、h（湖北省电力试验研究院办公楼）和i（湖北省电力工业技术中心）各部分的反射强度达 30 dB 以上，反映了本研究良好的数据质量。

相干性代表目标物在不同时间的信号干涉性能最大值为 1，最小值为 0，相干性越接近于 1 表明相应目标物的信号干涉性能越好。图 4 反映了监测区域大部分雷达信号相干性均接近于 1，表明了本监测良好的数据质量。

3 监测结果分析

通过对原始雷达影像进行一系列的处理，最终计算得到施工区域周边地面及建筑物等基础设施的形变结果及其演变过程。

图3 观测现场雷达信号反射强度

图4 雷达相干性图

3.1 监测区形变场

根据研究区实际地形情况及其信号反射强度，在距离地铁施工区较远的建筑物上选取 2 个 GCP 点（图 5），经过大气校正以及相位解缠，并通过各种阈值的设定以及滤波处理，最终得到该滑坡的形变图 5。X方向为雷达方位向，Y方向为距离向即视线向，从图中可以看出经过 336 h 的连续监测，监测区域大部分区域累计形变量均在 10 mm以内，表明地面及周围建筑物相对稳定，地铁施工对周边设施影响较小。但是有一个部分（图中红色区域）形变较大，最大形变达 30 mm（沿雷达视线向靠近仪器），表明该区域附近受到地铁施工影响较大，存在较大的形变。

3.2 监测点形变量

图5 监测区形变场（视线向）

为了具体分析路面及建筑物形变过程，在监测区域选取图 5 中点 P1、P2、P3、P4 和 P5 分别进行形变量时程分析。图 6、图 7 为所选监测点经大气校正前后的形变时程曲线，可看出经过大气校正之后，除 P3 之外，所有监测点形变量均在15 mm 以内。

图6 校正前的监测点形变时程曲线

图7 校正后的监测点形变时程曲线

（1）P1 形变量为正值，表明 P1 所在的建筑物有远离雷达的趋势，但 P1 最终形变累积量趋于 0，且 P1 的变形多为骤变，说明 P1 的形变情况主要受到施工的震动影响，且形变量在 10 mm 范围内，该建筑物尚处于安全状态。

（2）P2 位于测地所门口路面，P4 位于东湖中学门口路面，两者累计形变几乎为 0，表明路面相对稳定，地铁施工对其影响较小。

（3）P3 形变累积量达 -30 mm，表明 P3 所处之地有倾倒的趋势，且该趋势较其他地方较严重，通过现场调查发现，由于修建地铁，保安室门口路基大部分区域已被挖开，地基损坏严重，与地基 InSAR 监测数据一致。

（4）P5 建筑物累计形变 8 mm 左右，有轻微位移，表明地铁施工一定程度上对建筑物造成了微小的形变。

因此，从整体上看，所有监测点形变趋势相对稳定，并没有特别大的跳动，在特大暴雨的影响下，施工周边区域形变仍未出现异常情况，表明观测期间监测区较为稳定，地铁施工对周边基础设施的影响较小。

4 结束语

本文利用地基 InSAR 技术对武汉市梨园地铁站施工区域微小形变场进行监测，监测结果表明，地基 InSAR能够有效地获取地铁施工区域的高精度、高时空分辨率的微小形变场；梨园地铁站施工区域内，大部分形变累积量在 10 mm 以内，监测区域内形变变化趋势相对稳定，地铁施工对周边基础设施的影响较小。