InSAR技术在城市轨道交通形变监测的应用

张强,成皓楠

摘 要：InSAR技术是一种相对较为新颖的观测技术，已经在城市轨道交通变形监测领域之中实现了广泛运用，利用这一技术，可以有效应对传统D-InSAR技术在应用阶段所存在的监测稳定性和可靠性较低问题，借助永久散射体干涉测量技术实现对于城市轨道交通形变情况的有效监测，并据此确定相应结构的形变速率。基于此，本文将结合杭州市城市轨道交通2号线展开分析，探讨InSAR技术在轨道交通变形监测领域之中的应用。

关键词：城市轨道交通;InSAR技术;形变监测

1 变形监测的重要性及其技术手段概述

在我国城市化建设高速发展的背景之下，各大城市都已经致力于研发轨道交通系统，也在一定程度上提升了城市轨道交通建设的规模。在城市之中构建具有较长跨度的地下隧道及深基础工程，可能因为受到打桩、土体开挖及降水等因素的多重影响，而对工程建设质量造成一定的影响，使得地质环境遭到了极大程度的破坏，导致轨道建设周边围岩的垂直和水平位置发生一定变化，进而引发工程环境变形。在实际运营阶段，由于所抽取的地下水量相对较多，导致地下水发生了严重的冻融问题。随着地上建筑物负载量的不断提升，也相应造成了城市沉降带问题，使得轨道结构在轨道穿越过程中无法形成稳定的沉降，时间一长，则导致结构纵向出现不均匀变化，在一定程度上限制了城市轨道交通线路运营的稳定性。

通过城市轨道交通工程建设，针对运营阶段的变形情况予以实时监测，有利于积极把握工程和周边环境的变化情况，并据此确定相应的变形区域，让城市轨道交通工程建设及运营阶段的安全性得到充分保障，以切实提升环境的安全性，让现代化建设水平得到切实提升。

城市背景下的轨道交通通常表现出线性分布的形式，在轨道交通设计、施工及运营监测阶段，常表现出如下特点：首先，所需监测的距离相对较长，一般在十几到几十公里之间;其次，所需监测的项目相对较多，包括桥梁结构、基坑主体结构、周边建筑物形态，管线等。如果运用常规的精密水准实施变形监测，则可能带来大量的人力物力及时间损耗，同时，也难以据此确定地铁轨道沿线的实际变形情况。为此，可以通过InSAR技术实施监测，以充分适应逐渐扩大的区域性地面沉降变化趋势，为政府和轨道交通建设企业提供充足可靠的地面沉降资料信息，以便开展对于轨道工程的高效规划和治理，让轨道工程建设质量得到充分保障[1]。

2 InSAR技术原理

一旦雷达先后两次所发出的微波频率接近，且成像期间处于不间断的波动装填，同时，不同的平台轨道之间较为接近，便可以在雷达相遇位置处维持统一的振动方向，并在两雷达波相遇位置处发生干涉，干涉现象的差异在一定程度上展现了与相干迭加有关的微波间相位差及与之相对应的空间分布形态。InSAR技术，也即充分利用雷达波的干涉现象，针对同一个观测区域之中的不同差异视点进行成像，同时，结合相应成像点相位信息之间的差异，确定地物的相对高度信息。

结合干涉SAR平台及使用条件之间的差异，可以确定三种不同的SAR资料获取方法，也即：重复轨道、沿轨道和正交轨道干涉。

3 研究区与数据介绍

3.1 杭州地铁2号线

以杭州地铁2号线为例，本条线路在2017年正式开通運营，其线路全长可达43.3 km，共计33座车站，其走向为西北到东南，是杭州市内第二条投入运营的地铁线路。

3.2 数据介绍

杭州地铁2号线所利用的数据源是由意大利学者所研发的COSMO-SkyMedSAR影像，该影像一般处于3 m分辨率条带模式之中，可以通过HH极化的方式进行数据处理，其入射角一般为29.02°，本次研究共获取了系统之中的56期影像信息，其起止时间分别为2015年1月10日和2018年8月30日。

4 监测结果分析与讨论

4.1 地铁2号线地表形变结果

在本地铁沿线中具有5条相对集中的地表形变区域：

第一，良渚站至金家渡站地段，此范围内的平均形变速率和最大形变速率分别为-12 mm/a和-50 mm/a，此范围之中的区域形变通常成片状连接的形式，且形变规模和速度都较为突出;

第二，三墩站到学院路站，此区域内的形变面积可以占据到线路总形变面积的1/3，平均及最大地表形变速率分别为-11 mm/a和-31 mm/a，此范围之中的区域形变通常成零散的分布形式，且地表形变较为复杂;

第三，钱江世界城站到飞虹路站，平均及最大地表形变速率分别为-8 mm/a和-32 mm/a，此区域之中的形变面积相对较广，且以钱塘江南侧的形变最为突出;

第四，建设一路站到杭发厂站，平均及最大地表形变速率分别为-9 mm/a和-25 mm/a，形变面积相对较广;

第五，潘水站到朝阳站，平均及最大地表形变速率分别为-13 mm/a和-41 mm/a，此区域之中的形变区块数量较多，且多分布于地铁沿线及其周边位置。

4.2 地铁沿线形变梯度分析

形变梯度多用于某一特定方位上的地表形变变化速率，可以充分展现物理量的不均匀形变特性。借助累计形变量的形式，可以确定地表在某一特定时间段之中的总体变化情况。笔者利用累计形变量分析的方式，针对杭州地铁2号线沿线的形变梯度进行了充分分析。由于2号线的距离相对较长，导致曲线图出现了一定程度的压缩，难以充分观察出地表不均匀形变位置处的间断点信息，故笔者挑选了地铁三墩站至学院路站路段进行监测，并通过反距离权重插值的方法展开了对于累计形变量的处理，同时，绘制了如下图所示的剖面性变曲线图。

图中的形变区段共计包含7个站点，且站点之间存在较为突出的累计形变量波动，其中尤以丰潭路到学院路这以路段的变化幅度最为明显。

若地铁线路所贯穿的同一片区域之中的沉降速率大致相等，也即不同位置处的地表面下降速度接近一致，则不会对地铁轨道建设和地铁运营阶段的整体安全性造成过大的威胁。然而，一旦地铁线路处于沉降速率变化各异的区域之中，便可能带来严重的运行风险。基于此，针对地表形变予以监测，要求在关注区域沉降速率的基础上，强调沉降梯度的重要性，避免从单一化的视角建立对于地铁沿线形变情况的分析，以降低漏检及错检的发生概率。

5 结论

综上，利用InSAR技术，同时结合COSMO-SkyMed雷达影像数据的形式，得到了杭州地铁2号线沿线的地表形变信息。在监测区域之中具有几处相对集中的地表形变区域，且多表现为形变小区块散步的形式，其形变速率最高为

-50 mm/a。依托于地铁沿线路段，确定相应的地形断面信息，并据此制作地铁线路沉降剖面图，可以直接观测轨道铁路沿线的地表沉降情况，同时，以此为前提，设置间隔距离为200 m的累计形变点，并在此基础上算出了不同点的形变梯度。

分析结果表明，即使在地表形变集中区域、高形变梯度区域和形变严重区域都存在高度重叠，但是与此同时，也会表现出不同程度的差异。因此，不能采取单一化的手段确定地铁沿线的实际形变情况，以免带来严重的漏检及错检风险。以200 m为一个节点，针对形变梯度进行了分析，然而，如果换用其他的指标必定会得到差异化的结果，需要充分利用合成InSAR技术，同时，依托于地铁行业标准展开测量，这也将作为日后的重点研究方向。

参考文献：

[1]朱茂，沈体雁，黄松，等.InSAR技术地铁沿线建筑物形变监测[J].国土资源遥感，2019，31（2）：196-203.