地基InSAR技术在昌吉赣高速铁路路基边坡监测中的应用研究

饶 雄

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063）

1 引言

近年来，随着我国城镇化水平提高以及城市群发展，国家大力建设高速铁路，以提高城际间交通运输速度和能力。受山区特殊地形地貌、水文地质以及人类活动等诸多因素的影响，我国中西部地区高铁建设过程中极易发生边坡失稳、山体滑坡，直接关系到高铁施工和运营安全［1］。当前，抗滑桩是边坡抗滑加固处理的一种有效治理措施，但是在抗滑桩施工过程中会出现新的问题，甚至会加剧滑坡［2］。因此在高铁边坡抗滑桩工程施工中对边坡进行精细监测十分必要，这样不仅能评估抗滑桩治理效果，也能及时处理因变形过大所形成新的安全隐患。

目前，边坡形变监测技术种类主要有以下几种：（1）以水准仪、全站仪等常用测量仪器为主的单点观测技术［3-4］；（2）以全球定位系统、星载雷达、机载雷达等为代表的空间观测技术［5-6］；（3）以地面激光扫描仪和地基干涉雷达为主的新型地表监测技术［7-11］。针对地面复杂的监测条件、测量方式以及观测精度的需求，许多测量手段无法满足当前的工程需求。地基InSAR技术是一种远程微变形监测技术，通过步进频率连续波技术沿着轨道运动不断发送和接受微波信号，利用合成孔径雷达技术和干涉测量技术获取其形变信息。地基InSAR可对目标区域进行24 h无间断的连续观测，最大监测距离约为4 km，其形变监测精度可以达到0.1 mm［12］，目前地基InSAR广泛应用于边坡、山体滑坡、地面沉降、冰川、大坝等变形监测［13-16］。

针对昌吉赣高速铁路某边坡在抗滑桩治理前后均出现变形的问题，本文采用地基InSAR技术对抗滑加固后的边坡稳定性进行高精度监测试验。在边坡监测数据采集和处理后，对边坡整体形变过程和趋势进行分析，并利用全站仪点位观测进行对比验证。

2 地基InSAR观测原理与关键技术

地基InSAR系统主要通过步进频率连续波技术达到测量目标距离目的，通过合成孔径雷达技术和干涉测量技术获取目标区域表面的微小形变信息。下面详细介绍IBIS-L型地基InSAR的主要技术原理。

2.1 步进频率连续波技术（SFCW）

步进频率连续波技术［17］就是雷达向目标区域连续发射一组载频均匀步进的窄带宽脉冲，用其载频相应的本振频率与回波信号进行混频，再对混频后的中频信号做傅立叶反变换，即可得到目标在距离向的结果，从而实现了雷达在距离向上的高分辨率。雷达距离向分辨率见公式（1）：

式中，c为光速，B为脉冲带宽。

意大利生产的IBIS-L型地基InSAR，其距离向分辨率可以达到0.5 m。

2.2 雷达干涉测量技术

对同一地区不同入射角条件下获取的两幅具有相干性的雷达图像进行干涉处理，将得到的雷达干涉图中的相位变化值转换为相应的距离变化值，即目标体的位移变化量。

地基InSAR传感器对监测目标进行连续采样成像，通过相邻影像信号对同一目标进行干涉测量，计算目标体的变形相位，从而计算变形量。设雷达波长为λ，目标两次成像的相位差为Δφ，则雷达视线向（Light of Sight，LOS）变形d可见公式（2）：

通过相位差即可计算得到视线向上的形变d。

3 昌吉赣高铁某边坡变形监测试验

3.1 测区概况

本文选择昌吉赣高铁某边坡开展地基In-SAR监测试验，该边坡（见图1）位于江西省吉安市境内，其周边区域属于丘陵地带，植被茂盛，地表覆盖黄褐色粉质黏土和青灰色泥岩。地表水以降雨为主，地下水以基岩裂隙水为主。在未作人工防护前，由于受到施工影响，边坡已经出现了滑坡现象，为防止滑坡，保证高铁施工进度的正常开展，施工方对边坡加固了防护网和抗滑桩。通过图2可以发现，随着工程活动的加剧和自然条件的影响，防护网已出现裂缝，抗滑桩也产生了不同程度的位移。

图1 高铁边坡

图2 防护网裂缝

为了保证高铁轨道的正常施工，评测边坡的稳定性，本文利用地基 InSAR系统对其进行形变监测。

3.2 数据采集及处理

2017年9月8日至2017年9月15日采用地基InSAR系统对高铁边坡进行了长达8 d的连续观测。首先，将地基InSAR设备IBIS-FL安置在合适的位置，并利用设备自带软件IBISDV进行初步分析，以此协助设备观测参数的反复调制，确保仪器能够更好地监测边坡形变信息。然后，根据设备位置和方位，合理摆放角反射器，如图3地基In-SAR数据采集现场中白色点所示。最后，对边坡进行长时序观测，本次实验共获取1994景SAR图像，主要观测参数见表 1。数据采集过程中，大型作业机器多次在观测区域内长时间作业，对数据质量产生了一定影响。

图3 IBIS-FL地基InSAR数据采集现场

_表1 IBIS-FL的主要观测参数

在数据采集后，如图4所示，需要对雷达数据进行预处理，主要包括雷达图像配准［18］、雷达干涉测量、相位滤波、大气效应改正［19］等，最终计算得到边坡形变结果。选取合适的估计信噪比、相干系数、相位稳定性等参数，对雷达数据进行阈值选取，得到满足干涉处理要求的数据。此外，地基InSAR的雷达波在传播过程中会受到大气的影响导致一定程度上的偏移。因此需要在研究区域选取合适的稳定点布设角反射器作为参考点，对形变场中的每个像素进行大气扰动改正，最终得到研究区形变场（视线向）。

图4 地基InSAR形变监测数据处理流程

4 结果与讨论

4.1 数据质量分析

评价地基InSAR数据质量的关键参数为反射强度和相干性。其中反射强度反映了目标体的反射能力，反射强度越大代表反射能力越强；相干性代表数据之间关联性，相干性越高代表数据质量越好。图5为边坡区域的信号反射强度，通过反射强度图可以发现：

图5 反射强度

（1）滑坡主要部分的信号反射强度较高，数据质量较好，这将为提取滑坡形变奠定了基础。图中用三角形标记的强反射点为角反射器的回波信号，与角反射器在边坡上的位置相对应。

（2）整个反射强度图分为上、中、下三部分，与实际边坡三级构造相对应，由于边坡每级存在过道，在反射强度图上没有回波信号，因此产生明显的空隙。图5中方框内的信号强度明显比其他区域低，是因为在数据采集的过程中，有大型作业车在观测区域内长期作业，影响了地基InSAR接受回波信号，导致被作业车遮挡部分的边坡回波信号较弱，此外边坡大部分范围的雷达波反射强度高，数据质量良好。

为了分析滑坡的局部运动特征，进行了目视解译，图6和图7分别是施工前后的解译结果。通过边坡走道和角反射器的位置，能够清楚地判断边坡各部分地物，有助于后期分析滑坡各部分的运动机制；图中矩形代表大型作业车的反射区域，遮挡了部分边坡反射信号，大型作业车施工作业对观测区域产生了较大的影响，观测区域反射强度发生明显变化。因此将本次实验分为两部分研究有助于进一步分析数据结果。

图6 9月8日至12日反射强度解译结果

图7 9月12日至16日反射强度解译结果

从图8研究区形变场中可看出，在未施工前，整个区域在地基InSAR视线方向上的位移趋势在减小，说明在视线向存在滑动现象。研究区域内整体形变变化趋势较为平缓，大部分形变累积量在3 mm以内，少部分形变累积量达到5～6 mm，说明在视线向上边坡整体情况相对稳定。从图9可以看出，在施工后，观测区域内形变情况发生剧烈变化，大部分区域呈现负位移，即靠近地基InSAR的方向移动，位移变化量主要集中在-5 mm左右。

图8 研究区9月8日至12日形变场（视线向）

对比施工前后的形变结果可以发现，研究区域形变速率从正到负，主要是由于受到了大型作业机的干扰。为了单纯地考虑边坡形变情况，下文中的典型点分析只分析了施工前典型点的形变情况。

图9 研究区9月12日至16日形变场（视线向）

为了进一步研究边坡的变形情况，本文选取了数个典型点来进行时间序列分析，典型点分布如图10所示。其中，P1～P3是形变较大区域的点，P4～P6是稳定区域的典型点，P7～P10是角反射器的位置。可以看到稳定区域的P4～P6点最大形变量不超过2 mm，较为稳定，与目标区域的形变场结果吻合。P1～P3中，P2点的形变最为明显，其形变累计位移量达到6 mm左右，而P1、P3形变量次之。通过对比稳定区域点的时间序列与温度变化趋势，可以发现其形变量与温度呈正相关，并且温度越高，观测目标越靠近仪器（视线向）。其主要原因是，温度上升，观测目标膨胀，距离设备视线向上的距离变短。

图10 P1～P6各点的位移时间序列变化

4.2 全站仪测量与地基InSAR测量结果对比

为了检验地基InSAR的测量精度，在观测区域内布设了10个全站仪的靶标，持续采集数据，图11所示为棱镜分布位置［20］。全站仪于每天傍晚6点采集数据，采样间隔为24 h，共采集5期数据。

通过选择形变场中棱镜的位置，分析棱镜所在区域的时间序列可以得到地基InSAR中棱镜所在区域4 d累积量的形变情况，全站仪的4 d累计变化量可以直接测量得到。

通过表2中地基In-SAR的位移情况与全站仪结果进行对比，可以发现地基InSAR中标靶的形变量集中在2 mm左右，而全站仪的结果主要集中在1 mm左右。此次地基InSAR的观测结果与全站仪测量结果总体上较为吻合，但全站仪结果略微偏小，主要原因包括：

图11 棱镜分布位置

_表2 地基InSAR与全站仪监测结果的比较

（1）地基InSAR计算形变量存在一定偏差，全站仪测量距离的精度为1 mm＋1 ppm，两者测距都存在一定程度上的误差；

（2）原理上的不同，IBIS-L地基InSAR测量的是视线向上边坡的形变情况，而全站仪观测是靶标点到点的位移情况；

（3）地基InSAR中的位移情况是棱镜所在区域监测点的整体位移情况，而不是全站仪棱镜所在位置的位移情况。

5 总结与展望

本文利用地基InSAR技术对昌吉赣高速铁路建设期间某边坡稳定性进行了监测评估，结果表明：（1）在雷达扫描距离、入射角等参数合理设置情况下，地基InSAR雷达回波信号较强，并获取了该边坡毫米级微小形变场以及形变过程；（2）该抗滑桩加固边坡在监测期间变形趋势较为平缓，大部分形变累积量在3 mm以内，部分区域形变累积量达到5～6 mm，说明该边坡整体相对稳定；（3）地基In-SAR与全站仪监测结果较为吻合，但相比全站仪单点位移观测相比，地基InSAR技术具有监测范围大、时间和空间分辨率高等优势，可以更好地监测分析边坡形变的空间特征及变化趋势，因此在高速铁路边坡稳定性监测和评估方面具有广泛的应用前景。