基于PS-InSAR技術(shù)的深圳市蓮塘地鐵站站后折返線地表形變監(jiān)測研究

葉凱，侯建香，金典琦，楊珍

(1.深圳市城市公共安全技術(shù)研究院有限公司，廣東 深圳 518048； 2.深圳市信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518172；3.國家測繪地理信息局第一航測遙感院，陜西 西安 710054)

1 引 言

城市地鐵線路在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營的監(jiān)測過程中具有距離長、跨度大等特點(diǎn)，傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量技術(shù)與GPS技術(shù)等可應(yīng)用于地鐵線路及其沿線的沉降監(jiān)測[1]，但因它們基于點(diǎn)觀測特性的地面觀測技術(shù)容易遺漏部分觀測區(qū)域。雷達(dá)差分干涉技術(shù)(DInSAR)通過分析觀測區(qū)域雷達(dá)回波相位信息反演地表形變，精度可達(dá)厘米級[2]，然后受時(shí)間去相干、幾何去相干及大氣效應(yīng)的影響較重。鑒于此，國內(nèi)外學(xué)者相繼開展了基于永久散射體法[3，4]、小基線集法[5，6]的監(jiān)測應(yīng)用研究，實(shí)踐證明它們在監(jiān)測目標(biāo)“面狀”形變反演應(yīng)用中是有效的，可以抑制相位失相關(guān)的影響，在監(jiān)測點(diǎn)位密度、空間分辨率、監(jiān)測頻率上對傳統(tǒng)監(jiān)測方法形成了有效的補(bǔ)充，本文利用2015年1月～2018年5月的COSMO-SKyMed衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)(51景)，基于PS-InSAR技術(shù)，快速獲取蓮塘站站后折返線豎井開挖期間周邊地表形變場，進(jìn)一步掌握豎井施工期間對周邊建構(gòu)筑物的影響，并通過地面?zhèn)鹘y(tǒng)水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對此次InSAR監(jiān)測精度進(jìn)行評估。

2 PS-InSAR技術(shù)原理

Ferretti等人于2000年提出了一種新的地表形變監(jiān)測方法[4]，該方法基于多幅時(shí)序SAR影像進(jìn)行PS點(diǎn)探測，相位建模和形變解算，即選定公共主影像，從一系列時(shí)間序列圖中選取穩(wěn)定的參考點(diǎn)作為PS點(diǎn)(如巖石，堤壩，建筑物)，通過PS點(diǎn)集來計(jì)算相位信息，分離形變與大氣延遲信息[7]，稱之為“永久散射體雷達(dá)干涉技術(shù)”(Permanent Scatterer InSAR)，基本原理如下所示：

(1)

PS技術(shù)的點(diǎn)位選擇盡量保持在一定距離里(1 km)，利用大氣相關(guān)性特點(diǎn)，可以有效地消除大氣相位誤差影響，如下公式所示：

(2)

上式表示i，j兩目標(biāo)點(diǎn)的相位差，△vi，j表示相目標(biāo)點(diǎn)間的線性形變速率，△i，j表示DEM誤差，△wk表示大氣延遲相位，噪聲相位和非線性相位。

3 研究區(qū)背景及數(shù)據(jù)處理

3.1 研究區(qū)背景及數(shù)據(jù)選擇

按照深圳市城市軌道交通第三期建設(shè)規(guī)劃，深圳地鐵2號線東延線三期工程作為聯(lián)系蓮塘與羅湖中心、福田中心以及南山中心的城市軌道干線，建設(shè)工期為2015年～2020年，全線為地下線路。其中蓮塘站站后折返線設(shè)計(jì)里程范圍為DK39+601.797～DK39+925，如圖1所示，正線長為 307.2 m，隧道斷面為單洞雙線隧道，全部采用礦山法施工。蓮塘豎井內(nèi)部凈尺寸為 11 m×8 m，豎井深度 44.553 m。該豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁止水帷幕的結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)部采用六道鋼筋混凝土環(huán)框梁支撐。為快速獲取豎井開挖期間周邊建構(gòu)筑物的形變信息，本文基于2015年1月～2018年5月的高分辨率COSMO-SkyMed衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，如表1所示，共51景降軌數(shù)據(jù)，極化方式均為HH，空間分辨率約 3 m，較為完整地反映了蓮塘站站后折返線豎井周邊地表形變情況。

圖1 蓮塘折返線數(shù)據(jù)處理范圍(底圖引自Google Earth 2016)

COSMO-SKyMed影響數(shù)據(jù)參數(shù) 表1

選取2016-10-12雷達(dá)影像(時(shí)空基線居中)作為主影像，其基本干涉情況如圖2所示。

圖2 SAR影像時(shí)空干涉基線圖

3.2 數(shù)據(jù)處理

由于采用的數(shù)據(jù)屬于Level0原始數(shù)據(jù)，需要轉(zhuǎn)換成單視復(fù)數(shù)影像(SLC)，影像配準(zhǔn)時(shí)基于軌道信息初始化偏移量，并根據(jù)影像灰度相干性進(jìn)行粗配準(zhǔn)，反復(fù)試驗(yàn)直至配準(zhǔn)精度小于1/8個(gè)像元，之后進(jìn)行平地相位去除(主要去除參考橢球面的影響)，然后采用Goldstein濾波對干涉圖進(jìn)行降噪處理(第一次濾波窗口128×128，濾波系數(shù)0.6，第二次濾波窗口64×64，濾波系數(shù)0.5)，從濾波前后干涉圖處理效果來看，通過Goldstein濾波不僅保留較多的細(xì)節(jié)信息，而且濾波前存在的噪聲和毛刺現(xiàn)象大大減少，濾波后干涉條紋邊緣梯度保存比較完整。篩選永久散射點(diǎn)時(shí)需同時(shí)考慮雷達(dá)信號的高信噪比特性以及散射穩(wěn)定性，此次數(shù)據(jù)處理參考點(diǎn)位于羅沙路仙臺天橋(方位向821，距離向880)，強(qiáng)度值為 22 342，振幅離差為0.3。然后基于振幅信息(閾值為200)篩選出PS候選點(diǎn)(圖3)，基于振幅離差(閾值為0.6)生成一級PS點(diǎn)，最終通過時(shí)間域上的高頻特性與空間域上的低頻特性進(jìn)一步削弱大氣誤差影響，獲取垂直向形變值。

圖3 羅湖區(qū)深圳河沿岸Goldstein濾波前后干涉對比圖

3.3 形變場提取以及精度驗(yàn)證

(1)豎井周邊形變場提取及分析

最終基于PS-InSAR技術(shù)獲取了蓮塘站站后折返線豎井周邊地表沉降速率圖，基于ArcGIS統(tǒng)計(jì)分析功能將線性沉降速率每隔 2 mm/a進(jìn)行顏色等級劃分(圖4)，依據(jù)累積沉降量繪制等值線圖(圖5)，同時(shí)依據(jù)線性沉降速率，利用克里金插值方法進(jìn)行柵格化，過折返線豎井位置繪制兩條縱剖面線(圖6)。

圖4 蓮塘地鐵站站后折返線周邊年沉降速率統(tǒng)計(jì)圖

圖5 站后折返線周邊沉降量等值線圖

圖6 站后折返線周邊線性速率插值圖

研究區(qū)共發(fā)現(xiàn)26 321個(gè)PS點(diǎn)，有22 592個(gè)PS點(diǎn)年平均沉降速率值集中在 ±2 mm/a之間，占總體監(jiān)測點(diǎn)位的85.83%，整體來看地表變化相對穩(wěn)定，累積沉降量大于 20 mm的點(diǎn)位有356個(gè)，主要集中在折返線豎井周邊，范圍約 0.08 km2，由圖7、圖8可知，豎井位置周邊沉降速率相對較大，超過 12 mm/a。根據(jù)InSAR監(jiān)測結(jié)果，自2016年12月開始，折返線周邊地表累積沉降量逐漸增加，截至2018年3月，沉降逐漸收斂，趨于穩(wěn)定，期間最大線性沉降速率約 15.2 mm/a。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果顯示，沉降范圍內(nèi)的居民區(qū)、道路、沿線擋墻等均出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，部分墻及路面開裂部位已采取加固措施，地表裂縫已進(jìn)行了灌漿封堵處理。

圖7 站后折返線豎井剖面線(N-S向)

圖8 站后折返線豎井剖面線(W-E向)

(2)精度評定

根據(jù)第三方監(jiān)測公司提供的一級水準(zhǔn)監(jiān)測信息(Trimble Dini03)和地下水位監(jiān)測信息，按照“最鄰近點(diǎn)法”進(jìn)一步驗(yàn)證InSAR監(jiān)測結(jié)果的可靠性，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在InSAR監(jiān)測點(diǎn)兩個(gè)像元距離以內(nèi)，共發(fā)現(xiàn)7個(gè)地表監(jiān)測點(diǎn)，21個(gè)房屋建筑監(jiān)測點(diǎn)，根據(jù)中誤差精度指標(biāo)評定公式(式3)，中誤差(m0)為 7.68 mm，兩種監(jiān)測結(jié)果具有較好的一致性：

(3)

式中：N——樣本數(shù)；dLi和dIi——分別為樣本點(diǎn)i對應(yīng)的水準(zhǔn)觀測量和InSAR的觀測值。

詳細(xì)情況如表2所示：

InSAR監(jiān)測和水準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果比較 表2

水準(zhǔn)測量與InSAR監(jiān)測累積沉降量結(jié)果對比如圖9所示，JC-16點(diǎn)水準(zhǔn)測量與InSAR監(jiān)測結(jié)果時(shí)序?qū)Ρ热鐖D10所示，折返線豎井周邊地下水位監(jiān)測變化如圖11所示，從圖中可看出，PS-InSAR、地下水位以及水準(zhǔn)監(jiān)測三者表現(xiàn)的形變趨勢是一致的，均從2017年1月沉降開始加速，后期形變趨于穩(wěn)定，進(jìn)一步表明了InSAR監(jiān)測結(jié)果的可靠性，能夠客觀地反映建構(gòu)筑物在豎井開挖期間的時(shí)序形變特征。

圖9 累積沉降量結(jié)果對比(水準(zhǔn)測量與InSAR監(jiān)測)

圖10 JC-16點(diǎn)時(shí)序結(jié)果對比(水準(zhǔn)測量與InSAR監(jiān)測)

圖11 站后折返線地下水位監(jiān)測變化(sw1、sw2、sw3、sw4)

4 結(jié) 論

本文采用PS-InSAR技術(shù)，利用2015年1月～2018年5月的高分辨率COSMO-SKyMed衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)成功獲取了蓮塘地鐵站站后折返線豎井周邊“漏斗”式地表形變場，范圍約 0.08 km2。根據(jù)InSAR監(jiān)測結(jié)果可知，監(jiān)測期間內(nèi)最大累積沉降量超過 30 mm，自2017年1月以來沉降加速，截至2018年4月，沉降逐漸收斂，可能是由于地下水位下降，導(dǎo)致地表以及上蓋建筑出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象。另外，PS-InSAR技術(shù)在城市軌道交通、房屋建筑的形變監(jiān)測、安全預(yù)警方面具有一定的可行性，能夠客觀反映監(jiān)測目標(biāo)的時(shí)序形變特征，揭示地表形變發(fā)生、發(fā)展的機(jī)理，精度可以達(dá)到毫米級，能夠?yàn)槌鞘泄步煌ǖ囊?guī)劃和安全建設(shè)提供決策支持。