多軌道集成PS-InSAR監(jiān)測高速公路沿線地面沉降研究―――以京滬高速公路(北京―河北）為例

張學東，葛大慶，肖 斌，張 玲，侯妙樂

(1.北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 100044；2.現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100044；3.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；4.江西核工業(yè)測繪院，江西南昌 330038）

多軌道集成PS-InSAR監(jiān)測高速公路沿線地面沉降研究―――以京滬高速公路(北京―河北）為例

張學東1，2，葛大慶3，肖 斌4，張 玲3，侯妙樂1

(1.北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京 100044；2.現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 100044；3.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；4.江西核工業(yè)測繪院，江西南昌 330038）

一、引 言

近年來，由于中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對地下水資源需求量不斷增加，使原有的地下水沉降漏斗范圍逐漸擴大，發(fā)生了區(qū)域性地面沉降災害，特別是公路沿線地區(qū)，如公路路基持續(xù)沉降甚至不均勻沉降，公路路線豎向發(fā)生變化，公路結構物和路面間出現(xiàn)明顯豎向位移差異，進而導致橋頭跳車等危害，同時造成沿線的地面標高失效等。并且，公路、鐵路運輸日益繁榮，車流量不斷增大，區(qū)域性地面沉降對線性交通工程的影響將會越來越大。因此，開展公路等線性工程沿線區(qū)域地面沉降監(jiān)測，加強地面沉降治理，已成為保證公路等線性工程正常建設和運營的一項重要的基礎性工作[1-4]。

二、研究方法

1.PS-InSAR技術

合成孔徑雷達差分干涉測量(D-InSAR）技術是以分析合成孔徑雷達復數(shù)影像的相位信息來獲取地表變化的技術。在實際應用中，由于受大氣效應和去相干的影響，嚴重地制約了常規(guī)D-InSAR在地表形變監(jiān)測方面的應用，尤其對于地面沉降這種緩慢累積形變而言，時間去相關問題尤為突出。為了克服傳統(tǒng)D-InSAR的局限性，人們提出了永久散射體差分干涉測量(permanent scatterers InSAR，PS-In-SAR）技術[5-6]，其原理是對永久散射體(permanent scatterers，PS）干涉相位進行時間序列分析，根據(jù)各相位分量的時空特征，估算大氣波動、數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM）誤差及噪聲等，并將其從差分干涉相位中逐個分離，最終獲取每個PS的線性和非線性形變速率、大氣延遲量(atmosphere phase screen，APS）及DEM誤差的過程。

2.多軌道集成

公路、鐵路等大型線性工程往往橫跨幾百千米，具有分布范圍廣、不規(guī)則等特點，而常用的ENVISAT衛(wèi)星數(shù)據(jù)每景覆蓋范圍為100 km×100 km。因此，為了能夠監(jiān)測這些大區(qū)域的地面沉降現(xiàn)象，需要解決數(shù)據(jù)跨軌道的問題。于是人們提出了多軌道集成的思想，其本質(zhì)是將不同軌道下獲取的相干目標形變參數(shù)(經(jīng)時序分析得到的地表形變速率、形變量及高程改正等參數(shù)）進行準確拼接[7-8]。拼接過程分為兩步：

第一步是相鄰軌道坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一，建立“主軌道”幾何[7]，其公式表達為

式中，Δx、Δy分別為主輔影像x、y方向的像對偏移量；p為多項式階數(shù)；a、b為多項式系數(shù)。

第二步是將PS-InSAR估算的參數(shù)聯(lián)合，如地表形變速率、形變量及高程改正等；同時，重疊區(qū)域的多余觀測為不同軌道間地表形變監(jiān)測結果集成和可靠性檢驗提供了必要的聯(lián)系數(shù)據(jù)[7-8]。其公式表達為

式中，Δvoff為框架之間基準偏差；vmi為主影像相干目標i的形變速率；vsi為輔影像相干目標i的形變速率；＾vsi為改正后輔影像相干目標形變速率；ˉvi為基準統(tǒng)一后相干像元i的形變速率；Pmi、Psi分別為主、輔軌道的權重因子。

三、數(shù)據(jù)處理

1.京滬高速公路介紹

京滬高速公路是中國大陸第一條全線建成高速公路的國道主干線，起點在北京，途經(jīng)天津、河北、山東、江蘇，終點在上海，全長約為1262 km。它是華北經(jīng)濟區(qū)與長江三角洲經(jīng)濟區(qū)連接的重要陸上通道，對繁榮華北、華東地區(qū)各省市經(jīng)濟起著重要的紐帶作用。

2.數(shù)據(jù)處理

本文使用PS-InSAR技術，借助2008―2010年間獲得的相鄰軌道(Tarck-218和Tarck-447）的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)和SRTM 90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，對京滬公路(北京―河北）沿線區(qū)域地面沉降信息進行提取并分析，具體處理過程如下：

1）單軌道沉降信息的生成。根據(jù)PS-InSAR技術，首先，選擇時間間隔小于2 a和空間基線小于±300 m的像對進行合理組合；其次，采用基于振幅離差指數(shù)和點目標識別的聯(lián)合估計方法從單一單視復數(shù)數(shù)據(jù)(SLC）和單視復數(shù)數(shù)據(jù)集(SLC stack）來識別可靠的相干目標[9-10]；最后，通過相干目標差分相位的時域特征分析實現(xiàn)形變參數(shù)的估計，得到單軌道數(shù)據(jù)的沉降信息。

2）相鄰軌道數(shù)據(jù)的集成。由于公路線路很長，跨越了雷達數(shù)據(jù)的兩個相鄰軌道，因此，根據(jù)多軌道PS-InSAR集成的方法，首先統(tǒng)一相鄰軌道數(shù)據(jù)的坐標系和參考基準，然后將相鄰軌道數(shù)據(jù)集成起來(如圖1所示）。

圖1 多軌道(軌道218和447）沉降速率圖

3）公路沿線沉降信息及沉降剖面的提取。為了更好地研究公路沿線區(qū)域受地面沉降影響情況，采用緩沖區(qū)方式成功提取了公路沿線6 km范圍內(nèi)的沉降信息(如圖2所示），然后根據(jù)沉降情況建立了公路沿線區(qū)域的沉降剖面圖(如圖3所示）。

圖2 京滬高速公路(北京―河北）沿線6 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)沉降速率圖

圖3 京滬高速公路(北京―河北）沿線沉降剖面圖

四、結果分析

根據(jù)京滬高速公路(北京―河北）沿線多軌道地面沉降速率(如圖1所示）、沿線6 km范圍內(nèi)的地面沉降速率(如圖2所示）及地面沉降剖面(如圖3所示），分析發(fā)現(xiàn)，該段存在9個典型沉降中心，沿線6 km范圍內(nèi)最大沉降速率超過82 mm/a，9個典型沉降中心依次為：

1.廊坊沉降中心

據(jù)PS-InSAR監(jiān)測結果，廊坊市北部地面沉降較嚴重，公路沿線6 km范圍內(nèi)最大沉降速率為69 mm/a，有逐漸向南發(fā)展的趨勢，其沉降中心如圖4所示。地下水位監(jiān)測資料表明[11]，廊坊沉降中心為典型的單一中心的沉降漏斗，形成原因是長期抽取深層地下水所致。廊坊沉降中心水位已經(jīng)低于臨界水位，雖然近年來略有回升，但地面沉降仍持續(xù)發(fā)展，對于區(qū)內(nèi)的多條線路都有影響，部分路段已出現(xiàn)橋梁開裂等破壞現(xiàn)象，對于京滬公路和京滬鐵路等線路，控制形勢依然嚴峻，應引起高度重視。

圖4 廊坊沉降中心

2.北辰、西青和靜海沉降中心

京滬高速公路在天津市范圍內(nèi)的沉降中心如圖5所示。其中，北辰沉降中心為天津市西北部新發(fā)展起來的沉降漏斗。近年來工農(nóng)業(yè)發(fā)展對地下水需求量不斷增加，地下水開采量逐步增大，導致了北辰沉降中心在公路沿線6 km范圍內(nèi)年最大沉降速率達到82 mm/a。

圖5 北辰、西青和靜海沉降中心

西青區(qū)沉降帶與河北霸州相連，形成了目前天津西部最大的沉降帶，公路沿線普遍沉降速率為20～60 mm/a。主要沉降中心有獨流鎮(zhèn)、汊沽港鎮(zhèn)和王慶坨鎮(zhèn)等，最大沉降中心為勝芳鎮(zhèn)，沉降速率超過140 mm/a。

靜?？h沿著京滬高速公路(北京―河北）存在有2個明顯的沉降中心：靜海北部和中部沉降中心?？h城以南往青縣方向，處于快速沉降地區(qū)，沉降速率為50～60 mm/a，其中陳官屯一帶尤為突出。

近年來，天津市的地面沉降已向西青和靜海地區(qū)轉(zhuǎn)移，西青區(qū)地面沉降繼續(xù)向西擴展，與霸州沉降帶連為一體，而靜海地區(qū)沉降漏斗不斷增加，逐步向南擴展，與青縣逐步連接起來。

3.青縣、滄縣、泊頭和東光沉降中心

京滬高速公路在滄州市境內(nèi)有4個沉降中心，如圖6所示。其中，青縣和滄縣沉降區(qū)呈大范圍的平均沉降；而泊頭和東光為典型的單一沉降漏斗，且不斷擴大。整個滄州地區(qū)的地面沉降隨著地下水位的持續(xù)下降而不斷發(fā)展。青縣沉降漏斗在清州鎮(zhèn)為最大，達到50～60 mm/a。泊頭沉降中心超過60 mm/a，而東光漏斗中心達到80～90 mm/a，位于縣城北部，該地區(qū)沉降主要為生產(chǎn)生活采水所致。京滬公路經(jīng)過處差異沉降顯著，特別是東光縣城，對線性工程潛在的破壞作用明顯。

圖6 青縣、滄縣、泊頭和東光沉降中心

相關研究表明[12]，廊坊、天津和滄州地面沉降與地下水位變化均呈指數(shù)關系，地面沉降略滯后于地下水位變化，并存在明顯的臨界水位。華北平原中東部壓縮層自北向南深度逐漸加大，地層時代則由新變老，而粘性土比例及厚度以天津至滄州段內(nèi)最大。由此決定了地面沉降呈現(xiàn)出天津至滄州段最為嚴重、向兩側逐漸減緩的規(guī)律，這給該區(qū)域內(nèi)的公路等線性工程造成了極大的影響和危害。

五、結 論

本文以多軌道PS-InSAR集成的方法，研究了京滬公路(北京―河北）沿線的地面沉降情況，并得到一些結論：

1）該方法不僅統(tǒng)一了不同軌道間影像的坐標系與參考基準，而且使跨軌道、多幅影像的大范圍PS-InSAR監(jiān)測成為現(xiàn)實。

2）確認了京滬公路(北京―河北）沿線中的9個沉降中心，分析了沿線6 km范圍內(nèi)的地面沉降情況，結果與已有研究相吻合[12]。因此，PS-InSAR監(jiān)測結果可為公路等線性工程的地面沉降控制提供數(shù)據(jù)參考，為保證線性工程的安全運營服務。

為進一步檢驗PS-InSAR監(jiān)測結果的精度，今后將通過收集試驗區(qū)GPS或水準測量等實測數(shù)據(jù)，來進行相互比較和驗證。

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Study on Multi-track Integration PS-InSAR Monitoring the Land Subsidence along the Highway——Taking JingHu Highway(Beijing-Hebei）as an Example

ZHANG Xuedong，GE Daqing，XIAO Bin，ZHANG Ling，HOU Miaole

監(jiān)測和治理公路等線性工程沿線地面沉降是保證線性工程正常運營的一項重要基礎性工作。本文以京滬公路為試驗區(qū)，基于2008―2010年相鄰軌道的ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)，利用多軌道永久散射體差分干涉測量(PS-InSAR）技術集成方法成功提取了京滬公路(北京―河北）沿線的沉降速率圖和沉降剖面圖。試驗結果表明，該方法不僅統(tǒng)一了不同軌道間影像的坐標系與參考基準，而且使跨軌道、多幅影像的大范圍PS-InSAR監(jiān)測成為現(xiàn)實；同時，確認了京滬公路(北京―河北）沿線的9個沉降中心，分析了沿線6 km范圍內(nèi)的地面沉降情況，該結果與已有研究相吻合。因此，PS-InSAR集成方法豐富了線性工程沿線地面沉降的監(jiān)測手段，可為線性工程的正常運營提供基礎性數(shù)據(jù)。

地面沉降；高速公路；多軌道；永久散射體差分干涉測量(PS-InSAR）技術

P237

B

0494-0911(2014）10-0067-03

2013-08-19

現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室開放課題(20131204NY）；北京建筑大學博士基金(00331614025）

張學東(1979―），男，河北唐山人，講師，從事InSAR、PS-InSAR與TomoSAR技術及應用工作。

張學東，葛大慶，肖斌，等.多軌道集成PS-InSAR監(jiān)測高速公路沿線地面沉降研究―――以京滬高速公路(北京―河北）為例[J].測繪通報，2014(10）：67-69.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0331