劉 波，范雪婷，陸藩藩，晏王波

(1.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013;2.江蘇省測(cè)繪研究所，江蘇 南京 210013)

1 引言

高等級(jí)公路因設(shè)計(jì)時(shí)速較高，對(duì)地面沉降的容許程度相對(duì)嚴(yán)格，特別是對(duì)不均勻沉降要求較高［1］。徐州礦產(chǎn)豐富，長(zhǎng)期的地下開(kāi)采導(dǎo)致礦區(qū)出現(xiàn)大面積的沉陷漏斗，當(dāng)高等級(jí)公路不可避免通過(guò)采空塌陷區(qū)時(shí)，不僅會(huì)改變公路的原始設(shè)計(jì)坡度，甚至?xí)?dǎo)致道路裂縫、路基破壞等，對(duì)公路的正常運(yùn)營(yíng)造成影響。因此對(duì)高等級(jí)公路沿線進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)并對(duì)沉降危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)有重要意義。合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar，D－InSAR)技術(shù)具有分辨率高、監(jiān)測(cè)周期短的特點(diǎn)，能夠全天候、全天時(shí)地獲取高精度地面微小形變信息［2］。特別是在DInSAR 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的小基線集(Small Baseline Subset，SBAS)方法能夠獲取時(shí)序、高精度、面狀的地面形變［3］，對(duì)定期獲取公路沿線區(qū)域高精度沉降優(yōu)勢(shì)較大［4］。文中以G310 國(guó)道徐州部分段為例，采用SBAS 技術(shù)監(jiān)測(cè)公路的變形信息，針對(duì)沉降對(duì)公路的影響性進(jìn)行了分析評(píng)估。

2 研究線路及數(shù)據(jù)

江蘇省G310 國(guó)道(連云港－天水公路，簡(jiǎn)稱連天線)，道路等級(jí)為一、二等，屬高等級(jí)公路。該公路始于江蘇省連云港市，止于甘肅省天水市，途經(jīng)江蘇省內(nèi)的連云港市和徐州市。G310 國(guó)道(徐州段)起點(diǎn)為邳州市，終點(diǎn)為銅山區(qū)，長(zhǎng)度130 km，設(shè)計(jì)時(shí)速是60 km/h～80km/h。為研究G310 國(guó)道的地面沉降情況，對(duì)G310 國(guó)道徐州賈汪區(qū)至銅山區(qū)路段進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，總里程約為79 km。此處規(guī)定下文提到的G310 國(guó)道皆指研究區(qū)的G310 國(guó)道(徐州部分段)。

本文采用日本ALOS 衛(wèi)星提供的L 波段PALSAR 數(shù)據(jù)作為雷達(dá)干涉處理的數(shù)據(jù)源。使用2007年2月至2010年12月的16 景中心經(jīng)度為117.4°、中心緯度為34.2°(Path:448，F(xiàn)rame:670)的SAR影像，其中精細(xì)波束雙極化模式(Fine Beam Dual polarization，F(xiàn)BD)數(shù)據(jù)9 景;精細(xì)波束單極化模式(Fine Beam Single polarization，F(xiàn)BS)數(shù)據(jù)7 景。影像主要覆蓋區(qū)為徐州主城區(qū)。

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

利用SARscape5.0 軟件基于SBAS 方法進(jìn)行G310 國(guó)道沿線區(qū)域地面沉降信息反演(圖1)，處理的主要步驟詳述如下。

(1)生成基線連接圖。設(shè)置時(shí)間基線閾值為600 d、空間基線閾值為1450 m 組合16 景SAR 影像，共生成68 幅基線對(duì)。

(2)差分干涉處理。該過(guò)程主要包括影像配準(zhǔn)、干涉圖生成、去除平地相位、濾波和相位解纏幾個(gè)步驟。根據(jù)時(shí)空最優(yōu)的原則選取2009年6月26日的影像為參考影像，將其他各影像配準(zhǔn)到該影像生成干涉圖，利用SRTM DEM 數(shù)據(jù)模擬地形相位，從干涉相位中減去地形相位，生成差分干涉圖。

(3)差分相位建模及形變參數(shù)反演。建立差分相位函數(shù)模型，基于奇異值分解法(Singular Value Decomposition，SVD)求解得到線性形變信息和DEM 誤差［3］，［5］。

(4)分離非線性形變獲取完整形變值。對(duì)殘差相位進(jìn)行時(shí)間域高通濾波和空間域低通濾波，濾波窗口分別為365 d 和1200 m，分離出大氣相位和非線性形變相位，然后將線性形變和非線性形變進(jìn)行累加獲取完整形變值。

(6)地理編碼。將形變結(jié)果從斜距投影轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)投影(制圖參考系)。

圖1 SBAS 方法處理流程圖

3.2 結(jié)果綜合分析

通過(guò)以上處理獲取影像覆蓋區(qū)域的沉降信息。為分析G310 國(guó)道沿線區(qū)域的沉降狀況，提取了該公路沿線兩側(cè)各3 km 范圍內(nèi)的地面沉降速率場(chǎng)，如圖2 所示。從圖中可以看出，在2007年2月—2010年12月監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，研究線路主要存在兩處沉降中心，分別位于銅山區(qū)的大彭鎮(zhèn)段和賈汪區(qū)潘安湖街道—大吳街道段，研究范圍內(nèi)的最大下沉速率達(dá)179 mm/a。

圖2 G310 國(guó)道平均沉降速率

基于反演得到的沉降速率場(chǎng)，對(duì)G310 國(guó)道沿線做沉降剖面分析，繪制了G310 國(guó)道沿線沉降速率剖面線，如圖3 所示。從剖面圖上看到，銅山沉降區(qū)是由兩個(gè)小的沉降漏斗連接而成;賈汪沉降區(qū)沉降狀況更加復(fù)雜，具有3 個(gè)沉降漏斗中心，可見(jiàn)G310 國(guó)道沉降在空間分布上具有不均勻的特性。

圖3 G310 國(guó)道沉降速率剖面圖

通過(guò)定量統(tǒng)計(jì)分析G310 國(guó)道沿線的沉降(表1)狀況得出:銅山段沉降區(qū)的最大沉降速率為53.7 mm/a，賈汪段沉降區(qū)的最大沉降速率達(dá)到61.9 mm/a;研究線路受地面沉降影響的總里程10.7 km，約占總研究線路長(zhǎng)度的13.6%，可見(jiàn)該線路受地表下沉影響比較嚴(yán)重。資料調(diào)查發(fā)現(xiàn)，G310 國(guó)道賈汪段沉降區(qū)位于潘安采空區(qū)內(nèi)，道路北部的采煤塌陷區(qū)已于2012年進(jìn)行生態(tài)修復(fù)開(kāi)發(fā)建設(shè)成潘安湖濕地公園。

表1 G310 國(guó)道2007年—2011年形變信息統(tǒng)計(jì)表

為分析沉降漏斗的時(shí)間演變趨勢(shì)，在兩個(gè)漏斗中心范圍內(nèi)各選取一個(gè)樣本點(diǎn)。樣本點(diǎn)P1、P2 的分布如圖2 所示，分別位于線路上的DK2 +450 和DK47 +155 處，對(duì)應(yīng)剖面圖上漏斗的大致位置標(biāo)示在圖3 中，圖4 為兩個(gè)特征點(diǎn)的沉降時(shí)間序列圖。從銅山區(qū)漏斗P1 點(diǎn)處沉降序列圖可以看出，該漏斗在2008年5月之前快速下沉，在2008年5月之后沉降明顯變緩，至2009年7月累積沉降量超過(guò)100 mm，且沉降趨于停止;分析賈汪沉降區(qū)特征點(diǎn)P2 處沉降序列可知，在研究時(shí)段內(nèi)該漏斗一直在持續(xù)下沉，累積沉降量超過(guò)200 mm。二者對(duì)比表明，G310 國(guó)道沿線沉降在時(shí)間分布上也具有不均勻性。

4 沉降影響性評(píng)價(jià)

圖4 特征點(diǎn)的時(shí)序沉降圖

輕微的沉降對(duì)高等級(jí)公路危害較小，但嚴(yán)重持續(xù)的沉降常引起路基下沉、長(zhǎng)期浸水，甚至?xí)斐陕访娣瓭{。特別是不均勻沉降引起的傾斜變形會(huì)使道路多呈現(xiàn)波浪式起伏狀態(tài)。如果公路坡度和坡長(zhǎng)增大，車輛上行的下滑力變大，易引起路面橫向裂縫，破壞道路結(jié)構(gòu)，降低穩(wěn)定性;下行時(shí)頻繁剎車會(huì)導(dǎo)致路面破壞加?。?］。合理的沉降影響性評(píng)價(jià)不僅能及時(shí)了解各區(qū)段道路影響狀況，而且能對(duì)不同破壞程度的道路防治措施及維修費(fèi)用提供依據(jù)，保證道路的持續(xù)正常運(yùn)營(yíng)。

表2 G310 國(guó)道不同沉降等級(jí)里程統(tǒng)計(jì)表

為了綜合評(píng)價(jià)分析G310 國(guó)道受地表沉降災(zāi)害的影響，依據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(以下簡(jiǎn)稱《細(xì)則》)［7］中地面沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和高等級(jí)公路的沉降容限，利用監(jiān)測(cè)得到的沉降速率場(chǎng)，對(duì)道路沿線各區(qū)段進(jìn)行沉降影響分級(jí)，共分為輕微、一般、較嚴(yán)重、嚴(yán)重和非常嚴(yán)重5 個(gè)等級(jí)，并對(duì)不同沉降等級(jí)的影響路段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)。根據(jù)沉降差異計(jì)算得到監(jiān)測(cè)期間內(nèi)路面的最大沉降傾斜為2.18 mm/m，小于《細(xì)則》中高等級(jí)公路路面傾斜容許值4.0 mm/m 分析，研究區(qū)無(wú)沉降影響“非常嚴(yán)重”路段。但是考慮到影響“較嚴(yán)重”以上路段長(zhǎng)度達(dá)到3.77 km，且賈汪沉降路段周邊塌陷較為嚴(yán)重，屬“危險(xiǎn)”路段。為了保障G310 國(guó)道的正常使用，有必要對(duì)沉降、變形較大區(qū)域開(kāi)展持續(xù)精細(xì)監(jiān)測(cè)，及時(shí)采取合理有效的措施來(lái)消除安全隱患。

5 結(jié)論

(1)采用SBAS 技術(shù)快速反演得到了合理的G310 國(guó)道沿線區(qū)域沉降信息，說(shuō)明SBAS 技術(shù)在大型線性工程沿線高效沉降監(jiān)測(cè)方面具有較好的應(yīng)用前景。

(2)以沉降速率為主要變化指標(biāo)，根據(jù)道路穩(wěn)定性影響程度對(duì)G310 國(guó)道研究區(qū)段進(jìn)行影響評(píng)估分級(jí)，為各區(qū)段治理措施及維修費(fèi)用提供依據(jù)。由于使用的SAR 影像的現(xiàn)勢(shì)性和時(shí)空分辨率較差，建議搜集2011年后的高分辨率TerraSAR 影像加強(qiáng)對(duì)“危險(xiǎn)”路段進(jìn)行更精細(xì)的沉降監(jiān)測(cè)。

［1］葛大慶.區(qū)域性地面沉降InSAR 監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)()，2013.

［2］趙遠(yuǎn)方，湯高飛，魯大尉.基于PS－InSAR 的京津城際鐵路地面沉降監(jiān)測(cè)研究［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2013，36(12):229－232.

［3］師紅云，劉廣，楊松林.基于時(shí)序InSAR 技術(shù)的京津高鐵區(qū)域沉降穩(wěn)定性評(píng)估［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，38(6):78－81.

［4］Berardino P，F(xiàn)ornaro G，Lanari R，et al.A new algorithm for surface deformation monitoring based on small baseline differential SAR interferograms［J］.Geoscience and Remote Sensing，IEEE Transactions on，2002，40(11):2375－2383.

［5］楊國(guó)創(chuàng)，胡爭(zhēng).劉全海.普寧市地面沉降的SBAS 技術(shù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代測(cè)繪，2014，37(2):9－12.

［6］元亞菲，鄧喀中，劉輝，陳炳乾.高等級(jí)公路采動(dòng)破壞特征及治理措施［J］.煤礦安全，2014，45 (6):218－221.

［7］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.GB/T 7714—2011JTG/TD 31 采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則［S］.北京:人民交通出版社，2011.