地基InSAR在施工隧道洞口边坡监测中的应用*

余 飞,金 林,徐 乔

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430056)

0 引言

在中西部山高谷深地区的高速公路建设中,桥隧比极高,地形地质条件复杂的区域往往只能通过桥梁和隧道来保障公路交通的贯通。其中,隧道洞口段作为隧道贯通和安全建设的咽喉之地,附近的山体往往比较薄,经常会堆积有大量的严重风化或节理发育的松软岩层,地层破碎且稳定性较差。尤其是在隧道建设过程中遇到降雨、地下水或者爆破开挖施工振动等各种因素的影响下,洞口段更容易发生松弛张裂、落石、崩塌或者滑坡等工程地质灾害,严重威胁整个隧道的施工质量和人员安全[1-2]。

边坡位移监测作为隧道洞口段监测工作的重要组成部分,目前常用的手段主要是水准仪测量、全站仪测量和北斗GNSS测量等接触式测量,这些技术虽然操作便捷、成本较低,但是在监测过程中需要在被测目标区域进行仪器安置或者测量点布设,在一些危险目标区域很难实施,而且只能对目标区域中的一些离散点进行点监测,根本无法满足对边坡进行全覆盖形变监测的需求[2-3]。

合成孔径干涉雷达技术(interferometric synthetic aperture radar, InSAR)是近年发展起来的一种新型监测形变的遥感技术,作为非接触测量的典型技术手段,能有效对目标区域进行无接触式、全天候、大范围面状的毫米级形变监测。根据搭载的平台不同,可将其分为星载合成孔径雷达、机载合成孔径雷达以及地基合成孔径雷达[4]。相对于星载InSAR而言,地基InSAR(ground based InSAR, GBInSAR)能够实时获取更高时间分辨率和空间分辨率的数据,还具有大范围连续面状空间覆盖、受恶劣环境影响小、设备安置简单灵活、无需设置观测目标、后续数据处理简单等优点,监测结果更精细。该技术在近年的水利大坝、露天矿边坡、山体滑坡、高大建筑物等形变监测中获得大量研究与应用,虽然验证了地基InSAR在这些监测领域的可行性和适用性,监测精度能够达到亚毫米级,但是针对隧道洞口段施工建设的应用场景却较为少见。因此,本文在这些研究的基础上,结合隧道洞口段施工和地基InSAR系统的特点,提出一种在三维激光雷达扫描辅助下基于地基InSAR的隧道洞口边坡三维形变监测方法,将该技术与三维激光扫描技术进行融合,并详细介绍技术流程和关键技术,最后在隧道洞口段的施工监测中进行测试应用。

1 地基SAR测量系统

地基InSAR监测技术是在地基SAR系统的基础上进行差分干涉数据处理的高精度测量技术,地基SAR系统主要由收发天线、数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块以及供电模块共同组成,主要是利用X波段或者Ku波段进行工作的影像传感器。系统对获取的每一个像素点进行相位信息和振幅信息的存储和处理,其中振幅信息主要用来表达目标场景图像和该区域的后向散射特性,相位则用来进行DEM生成或者形变分析等。在工作状态下,主要是通过对目标区域持续不断的发射和接收电磁波信号,然后在此基础上通过实时处理信号之间的相位差,进而获取目标的变形与微动状态。

通常,地基SAR测量系统按照合成孔径的实现方式,主要划分为直线扫描地基SAR、弧线扫描地基SAR和MIMO地基SAR。直线扫描地基SAR主要是利用天线沿着高精密滑轨移动来形成方位向孔径合成获取方位SAR数据,典型的代表系统有意大利IDS公司IBIS-L系统、荷兰MetaSensing公司的FastGBSAR-S系统以及我国安全生产科学研究院的S-SAR系统;弧线扫描地基SAR则是利用天线在水平面内的圆周运动来进行圆弧扫描,进而形成合成孔径获取SAR数据,典型的代表系统有意大利IDS公司的IBIS-ArcSAR系统以及中科院电子学研究所的ArcFMCW-SAR系统等;MIMO地基雷达采用多输入多输出技术,通过多个天线特殊排列来等效合成孔径进行数据获取,由于各个发射和接收天线可以同时发射和接收,扫描时间可以缩短至几毫秒到几秒[5-6]。

目前,绝大部分山岭隧道洞口段处在峡谷之间,洞口外可供监测系统进行作业的空间较小,尤其在隧道施工过程中,各种施工设备不断移动干扰和各个物料区占地划分,会进一步造成施测空间狭小。由于直线扫描地基SAR系统的天线是沿着直线轨道扫描,MIMO地基雷达方向较为单一,因此系统的视场无法在一次观测中覆盖目标周围的全部场景,而弧线扫描地基SAR合成孔径是通过附在旋臂末端的天线旋转生成,能够在一次观测活动中获取覆盖周边360°大范围场景的高分辨SAR数据。若采用直线扫描地基SAR系统或者MIMO地基SAR系统,则难以在有限的观测距离内观测到比较完整的洞口边坡情况,因此,弧形扫描地基SAR测量系统相对更适用于大多数的山岭隧道洞口段监测工作。

2 地基InSAR三维形变监测技术

地基InSAR的形变测量原理和星载InSAR技术类似,主要是将同一目标区域在不同时间获取的SAR图像进行相位差比较,即可获得监测目标的高精度形变信息。视线向的位移,即在不同时间点两次采集之间的距离差Δd,可以通过计算两次相位差获得,简易公式如下:

Δd=(λ/4π)(φ2-φ1)

(1)

式中:Δd为视线向形变量;φ2-φ1被称为干涉相位。

由于地基SAR系统在采集数据时是安置在一个固定的位置进行连续监测,监测周期较短,相邻两次测量时重轨误差可以忽略不计,因此通常无需考虑去基线估计和地平效应等步骤。虽然在地基InSAR干涉处理技术方面,各学者提出了不同的形变处理算法,但形变监测处理的技术流程却基本相似,通常主要包括差分干涉、PS点选择、相位解缠、大气相位补偿、形变量解算和地理编码等步骤[7]。

地基InSAR能够获取目标物在雷达视线方向上的高精度位移图,观测结果精度高,而三维激光雷达扫描技术可快速获取目标物的高精度三维模型[7-8],因此本文将三维激光扫描技术与地基InSAR技术进行结合,通过三维激光扫描获取高精度的三维激光点云数据来辅助地基InSAR数据进行三维形变监测处理,可使地基InSAR视线方向的变形信息能够突破本身二维平面的限制进行三维可视化,使得变形监测结果更为宏观,其形变监测数据处理的主要技术流程如图1所示。针对隧道洞口边坡段的三维形变监测,该方法的关键则在于PS点目标的选择以及三维雷达点云融合与形变解算。

图1 地基InSAR三维形变监测技术流程Fig.1 Flow chart of ground-based InSAR 3D deformation monitoring technology

2.1 PS点选择

在利用像素点的相位信息进行形变测量时,差分干涉相位的质量直接影响形变测量的精度。同时,在监测中由于植被、构造物等的存在,会导致实际监测分析中浅层地表位移变化因素较多,这些低相位质量的像素点,会给形变分析带来较大的测量误差。因此,在地基InSAR差分干涉处理时,需要选择一些高质量的点像素点即PS(permanent scatterer,永久散射体)来进行形变分析。为了提高PS点的可靠性,研究中综合多种提取方法来尽可能多地获取高相干的有效PS点进行形变分析,可有效剔除多种浅层地表位移变化因素的影响。

1)地基InSAR影像的强度图能够反映信号的真实强度信息,利用影像的强度信息计算其热信噪比,然后计算获取影像的平均热信噪比,并设定一定的阈值去除大部分虚假信号,再通过计算所获取影像的平均相关系数,分析其分布情况和设定合理的阈值完成PS候选点剔除。

2)利用振幅离差(ADI,amplitude dispersion index)法进行筛选,即利用对一个像素点幅度稳定性的估计来代替对其相位稳定性的估计,一般而言,至少需要20幅SAR图像,1个像素点的幅度离差值DA定义为:

DA=σA/mA

(2)

式中:σA和mA分别表示该像素点的时序幅值序列的标准差和均值,通常对DA设置阈值DT,通过满足DA≤DT完成PS点的选择,一般没有植被覆盖的区域ADI显著较低,进而对幅度稳定性很低的植被区域进行有效剔除。

最后,结合隧道洞口边坡的具体地形特征,可以对PS点对位移方向的敏感性做进一步筛选,由于目前获得的形变主要还是视线方向,在实际工程中,在此过程中可计算地形坡向和视线方向的相关系数,通过设定合理的阈值进一步筛选出更适合沉降位移监测的PS点,一般情况下经此系列步骤处理选择出的PS点,其密度和质量均可以满足高精度形变测量的需求。

2.2 三维雷达点云融合与形变解算

可靠的PS点经过差分干涉、相位解缠和大气相位补偿后,即可获取形变相位,然后经过式(1)既可获取视线方向的形变量。由于二维SAR图像只能解算出监测目标的二维坐标,且形变信息是沿着视线方向一维的。如何将形变量在三维地形上准确定位及显示,则需要实现SAR图像与三维激光雷达点云的数据融合,主要通过坐标转换和投影的方法来实现。

首先通过人工选择控制点的方式,按照二维四参数转换法计算转换参数,将SAR系统的本地平面坐标系转换到三维激光雷达的工程平面坐标系,从而统一平面坐标系统;然后,在三维激光雷达点云生产的DTM基础上,将SAR像素点的值按照相对应的平面坐标投影到DTM中相对应的点,即可将地基InSAR视线方向形变图投影到三维激光雷达获取的高精度DTM表面,实现形变信息三维可视化,从而更加直观和容易确定形变区发生的位置。

3 隧道洞口监测与分析

试验区隧道位于湖北省某城市,隧道进口位于斜坡上,坡面较缓,植被覆盖率一般,多为竹子,可见少量乔木;附近为冲沟地带,总体走向与线路正交,沟内目前有细流经过。隧址区位于构造侵蚀中低山-丘陵地貌单元,拟建隧道大角度斜穿陡坡;隧道洞身穿越段地表整体呈波状起伏,高差较大,最低标高约290.000 m,山顶标高约980.000 m。隧道洞口段岩体裂隙很发育,围岩破碎,隧道埋深浅,处于沟谷两侧岸坡隧道进洞口位于崩塌堆积体下,崩坡积物主要以块石及碎石土为主。

隧道洞口目前正处于掘进施工中,进洞里程约为15 m,周边存在高位边坡,由于接触式监测施工难度大、危险性高,常规监测无法实施,结合隧道洞口工作界面的划分和较为狭窄的空间特性,项目选用莱卡的Hydra雷达监测系统来进行数据处理。该设备采用弧线扫描地基SAR合成孔径模式来进行测量,视场角水平方向最大360°,垂直方向30°,数据采集周期仅为30 s,最大工作距离为800 m,距离分辨率0.2 m,方位分辨率8 mrad;在距离100 m处,其像素分辨率可达0.2 m×0.80 m,且在视线方向监测精度可达0.1 mm,整机仅重50 kg,单人即可实现快速安装,能显著节省监测现场施工时间和提高监测工作效率。为有效观测隧道洞口在施工过程中对周围高边坡的影响,将地基InSAR安置在高边坡对面的平坦区域约100 m处。根据高边坡总体坡度,为尽可能多地获取整个边坡的形变且剔除边坡外信息,实测时将天线水平观测范围设置为-30°～30°,由于受到施工任务影响,观测时间为2022年6月26日—6月27日,对隧道施工掘进和岩土爆破时期的影响进行了有效观测。同时,采用地面三维激光扫描仪对隧道洞口边坡区域进行三维激光点云扫描,获取了该区域高密度、高精度的三维激光雷达点云数据,点云分辨率达15 cm,并在此基础上通过点云滤波构建了隧道洞口段高边坡的高精度DTM模型,如图2所示。

图2 三维激光雷达获取的洞口边坡高精度DTMFig.2 High-precision DTM of the portal and slope obtained by 3D lidar

地基InSAR数据处理则主要是利用获取的SAR影像按时间先后两景影像形成干涉对,然后进行差分干涉、PS点选择等处理,在PS点选择时,先采用自适应滤波方法去除噪声,再通过地基InSAR影像的强度图进行PS候选点区域的筛除,如图3所示,然后通过振幅离差法剔除后再结合DTM数据和SAR数据视线方向的关系,进一步通过地形和观测方向敏感性筛选,进而得到有效的高相干PS点分布区域,如图4所示。

图3 地基InSAR影像强度Fig.4 Intensity map of ground-based InSAR image

图4 洞口边坡PS点方向形变敏感图Fig.4 Deformation sensitivity map in the direction of PS point of the opening slope

最后,再经过一系列的相位解缠、大气相位补偿等处理,即可开展三维融合和形变量解算处理,通过在DTM数据和SAR影像手动选择均匀分布的PS点进行坐标变换和投影,实现多源数据配准和SAR数据的地理编码,再通过形变量解算获取目标边坡在视线方向的形变量,最后将形变量在三维地形上准确的定位及显示,主要变形敏感区域集中在靠近洞口上方区域的位置,如图5所示。

图5 洞口边坡三维形变Fig.5 3D deformation of portal slope

进一步通过图6中监测数据可知,在数据采集早期阶段(17～20点),数据形变波动较大,主要是由于地基InSAR仪器安置区域有少许浅层土质残渣附着于地表,且安置仪器附近有机械施工,存在施工设备干扰,导致仪器安置初始阶段稳定性不足。此后,可以看出各区域PS点的形变基本没有变化,整个边坡都比较稳定。但是,到次日凌晨4:00,蓝色曲线对应的PS点则发生了轻微沉降,此时正是隧道内进行爆破作业的时间,该PS点在爆破瞬间朝向雷达传感器方向产生跃变,移动幅度大约为1 mm,其他区域未发生明显变化,此后5 h内洞口边坡所有区域岩层均未发生明显变化,这表明爆破对整个高边坡区域并未产生显著破坏性影响。但是,跃变区域经过详细调查发现有一小块稍微突出坡面的岩体因强烈风化有点松散,这块区域将会作为后期施工过程中重点关注的区域。

图6 洞口边坡部分PS点的变形时间序列曲线Fig.6 Deformation time series curve of PS point in the slope part of the portal

在不影响工程顺利进行的情况下,为了进一步验证监测结果的稳定性,在便于进行水准测量的隧道洞口又进行了短时间的进一步监测分析,主要目标是较为坚固的洞口构造物及其周边。通过一系列的差分干涉、PS点选择、相位解缠、大气相位补偿、形变量解算和地理编码等处理,在监测区域选取了9个离散点进行分析,具体的离散点位置选择如图7所示,并在此基础上获取9个离散点的变形时间序列曲线,如图8所示。可以看出,选择的9个离散点在观测期间都较为稳定,同时结合地面在监测实施前后进行的两次水准测量,在此期间9个离散点的水准测量结果均未发生变化,因此通过对比分析,采用地基InSAR进行隧道洞口边坡进行监测,其监测的数据精度可以达到0.2 mm。

图7 洞口构造物监测区域离散点选择Fig.7 Selection of discrete points in monitoring area of portal structure

图8 洞口周边9个PS点的变形时间序列曲线Fig.8 Deformation time series curve of 9 PS points around the portal

4 结语

相对于传统形变监测手段,地基合成孔径雷达干涉测量具有测量精度高、安装便捷、非接触远程测量等诸多优点,适合在隧道洞口等空间狭窄的位置进行高边坡监测,尤其适用于传统方法无法进行监测设备布置的高边坡。同时,通过施工隧道洞口高边坡监测数据处理结果表明,本文采用的在三维激光雷达扫描辅助下基于地基InSAR的隧道洞口边坡三维形变监测方法,能持续实时、快速、高分辨率、高精度地在三维环境下识别出变形区,监测精度达到亚毫米级,观测稳定性较高。隧道施工爆破作业时,系统能敏感地捕捉到轻微变化,并获得敏感区域的形变区域及时间变化历程,同时也监测到爆破未对高边坡稳定性产生破坏性影响,能为隧道施工过程中的洞口稳定性评估和应急抢险提供重要的基础资料。但是,由于本次观测时间较短,仅仅观测17h,考虑到隧道洞口施工的复杂工况和稳定性评估的需要,后期可进一步延长观测时间,从而全面分析整个掘进过程中各种人工或者地质因素对隧道洞口边坡的影响。