DInSAR 沉降监测技术在铁路区域沉降监测中的应用研究

2020-12-17高文峰

铁道勘察 2020年6期

高文峰

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1989 年，InSAR 技术首次被用于提取美国加利福尼亚因皮里尔河谷地面的形变信息，此后，逐步发展出差分合成孔径雷达干涉(DInSAR)的概念、原理及数据处理方法，其应用遍及地面沉降、冰川漂移、地震形变场、火山及滑坡等领域[1-2]，从定性分析地表形变规律到定量提取地物形变量得到了持续发展[3-4]。作为铁路勘察设计单位，急需探索InSAR 技术为铁路测量技术发展如何能带来变革。

InSAR 技术在形变监测领域中应用于差分合成孔径雷达干涉测量，受时空相关、大气以及噪声等残余相位的限制，基于常规二轨DInSAR 技术的沉降监测结果只能达到cm 级，且沉降信息易被遮掩，仅能用于定性提取沉降和采空区的范围[5-8]。为克服残余相位的影响，提出了Stacking、 PSI、 SBAS、 IPTA、 StaMPS、DSInSAR 等时序DInSAR 算法，这些方法利用相干点、永久散射体点及分布式散射体点，基于不同组合方式的差分干涉相位进行时序解算，从而获取高精度的沉降监测结果[9-11]。

1 DInSAR 基本原理

DInSAR 的英文全称是 Difference Synthetic Aperture Radar Interferometry，该技术自诞生以来，经历了SAR、InSAR 到DInSAR 的发展历史，在SAR 传感器发展的基础上，不断发展干涉测距技术。因此，在理解DInSAR 技术之前，首先需要了解SAR、InSAR 以及它们与DInSAR 之间的关系。

1.1 合成孔径雷达(SAR)

SAR(Synthetic Aperture Radar)的中文全称是合成孔径雷达，在真实孔径雷达的基础上，利用多普勒频移合成技术提高单像元的方位向分辨率；SAR 传感器也是一种主动式微波传感器，以星载SAR 传感器为例，其成像过程可以概括为:传感器主动发射微波信号，接收、记录地物反射的微波信号(往返均穿过大气层)，再经过地面接收站的信号处理得到SAR 影像。与光学传感器(手机、航摄相机拍摄的照片)不同，SAR 影像利用微波反射强度信息(即振幅)表现在图像上的灰度信息，并不包含RGB 等波段信息，看起来也不清晰(如图1 所示)。因此，直接用人眼进行图像解译较为困难。

图1 光学影像与SAR 影像对比

SAR 影像看上去全是黑白的斑点，其实除了肉眼可见的振幅信息之外，这里面隐藏着SAR 图像最有用的信息—相位信息，要实现高精度的沉降信息提取，靠的就是这种特殊的“相位信息”(类似于GPS 的相位信息)。

1.2 合成孔径雷达干涉测量(InSAR)

InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry)的中文全称是合成孔径雷达干涉测量，其利用获取的SAR 影像进行干涉测量(原理用到波粒二象性，杨氏双缝干涉实验)，通过对两幅同一个地区的SAR 数据进行干涉(对应像元相位相减)，可得到DEM(数字高程模型)。 2000 年，NASA 利用航天飞机搭载双天线SAR 设备，对全球南北纬60°之间的陆地进行地形扫描，从而获得全球高精度的数字高程模型—SRTM。到目前为止，SRTM 依然是全球使用率最高的DEM 数据，被广泛应用于科研、工程经济建设中。

1.3 合成孔径雷达差分干涉测量(DInSAR)

DInSAR 的中文全称是合成孔径雷达差分干涉测量，就是在InSAR 的前面增加了一个字母“D”，这个“D”就代表了差分(Difference)。 DInSAR 的主要原理是对形变前后同一区域进行重复观测，利用形变前后的SAR 影像获取干涉图，并通过差分技术，剔除参考椭球面相位、地形相位、大气相位、基线相位和噪声相位等残余相位信息，从而提取形变相位信息。其中，以地形相位所占比重最大，在理想的情况下，大气相位、基线相位和噪声相位等可以忽略[12-15]。

图2 为二轨法DInSAR 示意，红色为形变前(第一次)获取的SAR 数据，蓝色为第二次(形变后)获取的SAR 数据。由图2 可知，地形发生了沉降，故两次观测的相位不一样，此时，干涉图里包含了形变量和地面高程量信息，采用InSAR 结果与既有地形(比如SRTM)进行差分(二轨差分)，也就是把地面高程量从干涉相位中减掉，就能提得到形变量信息。

图2 二轨差分干涉

为进一步研究干涉相位中非形变相位信息的影响，科研人员又相继提出了多种监测方法，如小集线集差分干涉测量(SBAS)；基于永久散射体的差分干涉测量(PSInSAR)；基于角反射器的差分干涉测量(CRInSAR)等，都是在DInSAR 的基础上发展而来的，统称为基于时间序列的DInSAR 技术。随着技术的不断进步，其监测精度和效率也在逐步提高。

1.4 DInSAR 的优势

相较于传统的监测手段(水准、GNSS、静力水准仪等)，DInSAR 优势主要有以下几点。

(1)主动式长波段的面状监测可以24 h 全天候获取高时空分辨率影像，从而提取mm 级的地表沉降。

(2)作为一种获取地表沉降的遥感手段，避免了传统沉降监测需要现场作业的问题，避开了测量与运营之间的矛盾，节省了大量外业工作。

(3)相较于传统技术手段的点监测模式，DInSAR方法获取的是影像覆盖范围内的区域性沉降信息，在空间内具有连续性；另外，区域沉降信息更加丰富和直观，更容易找出沉降源及沉降原因。

(4)在一些沉降监测网布设不完全以及监测不及时区域，利用SAR 传感器获取的历史存档影像，可以获取感兴趣区域的历史沉降信息，从而对未来沉降趋势进行预测，这对不良地质的判断及铁路方案的选择起到了重要的作用。

1.5 DInSAR 的局限性

在铁路沉降监测中，DInSAR 技术也存在一定的局限性，主要表现在以下方面。

(1)铁路呈现带状走向，里程较长，一景影像难以完全覆盖感兴趣区域，数据量要求较大；另外，需要的区域内不一定有合适并足够的存档数据。

(2)商业化、界面化的DInSAR 数据处理软件较少，尤其缺乏成熟的国产DInSAR 数据处理软件。

(3)国际上非商业SAR 数据源较少，而商业SAR数据费用较高(尤其是高分辨率SAR 数据)，国内公开的SAR 卫星仍处于起步阶段。

(4)相较于传统监测方式(水准、GPS 等)，沉降位置难以精确到具体的点位。

2 DInSAR 常用方法及应用范围

2.1 常规DInSAR 差分干涉测量

常规DInSAR 方法包括二轨法、三轨法、四轨法，这种方法适合于监测精度要求不高且研究区域内SAR 数据较少的情况，这种方法只需二至四景SAR 数据，但需要形成相干性较高的形变干涉对。受植被影响，一般波长越长监测精度越高，但灵敏度降低，难以监测微小形变。常规DInSAR 差分干涉测量多用于勘察设计前确定采空区、明显沉降漏斗范围，主要用来定性分析，满足对采空区、滑坡、地震等沉降较为剧烈的地质灾害的形变监测，其监测精度一般只能达到cm 级。

主要步骤包括:①数据分析，综合考虑工程需求、数据成本、数据存档以及数据组合质量等因素，合理选择SAR 数据组合的时空基线，构建最优的形变干涉像；②数据处理，根据常规差分干涉数据处理的流程，利用外部DEM 数据，完成差分干涉处理和沉降量提取；③成果分析，根据沉降量信息，并结合光学影像辅助分析，从而提取漏斗中心沉降量、沉降漏斗范围与边缘沉降量差异等指标；④工程应用，结合既有地质、沉降监测等资料，进行实地踏勘调查，综合分析重点漏斗区沉降原因，提出相关建议，最终形成应用报告辅助勘察设计应用。

2.2 基于时序DInSAR 差分干涉测量

当需要长时间段连续高精度沉降监测且能够收集到较多的SAR 数据时(一般不少于20 景)，宜采用时序DInSAR(如PSInSAR、SBAS)方法进行沉降监测。以PSInSAR 方法为例，通过大量不同时期的SAR 数据构建时间序列数据集(如图3(a)所示)，根据振幅离差指数等指标，从序列集中可以提取出SAR 影像中的PS 点作为观测点，通过时序建模获取PS 点的缓慢连续地表沉降信息，再进行沉降量、沉降速率和沉降趋势分析(如图3(b)所示)。

图3 时序DInSAR 过程和结果(单位：mm)

基于时间序列的DInSAR 差分干涉测量方法适用于数据量较多且对沉降监测的范围和精度要求较高的情况，以及长时间、持续监测的工程，如高铁运营维护过程中的沉降监测，其监测精度能够达到mm 级。

3 应用案例

3.1 雅万高铁区域沉降监测

(1)项目概述

雅万高铁位于印度尼西亚爪哇岛，连接印尼首都雅加达和印尼第二大城市万隆，全长139 km。资料显示，雅加达历史上存在比较严重的区域沉降，万隆市存在大范围的软土沉降区。为深入了解雅万高铁沿线历史地面沉降及现阶段沉降状况，采用InSAR 技术对雅加达和万隆地区进行地面沉降监测，以准确获取沉降漏斗范围、漏斗中心、历史沉降量，线位与沉降区的关系，为铁路选线、施工、运营提供精确的沉降资料。

(2)监测结果

利用2014 年10 月～2016 年10 月34 景Sentinel-1 卫星数据，采用时间序列PSInSAR 沉降监测技术，对万隆地区CK110～CK140 段落进行沉降监测，监测发现，CK117～CK140 处于万隆地区软土层沉降区内。在沉降区内，存在多个沉降漏斗，这些沉降漏斗或穿过线位，或距线位较近，铁路沿线最大沉降速率达120 mm/a。沉降曲线如图4 所示。