任 超， 施顯健， 周 呂*， 黃遠(yuǎn)林， 梁月吉， 朱子林

(1.桂林理工大學(xué)測繪地理信息學(xué)院，桂林 541004；2.廣西空間信息與測繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004；3.北部灣大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，欽州 535011)

地鐵的建設(shè)和運(yùn)營促進(jìn)了城市的發(fā)展，但隨著地鐵建設(shè)的更新和現(xiàn)有地鐵運(yùn)營時(shí)間的增長，城市的地基容易受到影響，從而導(dǎo)致地面的沉降[1]。為防控地面沉降對地鐵工程造成的影響和危害，對地鐵建設(shè)區(qū)域和運(yùn)營區(qū)域進(jìn)行快速監(jiān)測和沉降跟蹤，及時(shí)掌握每條地鐵線路的地面沉降，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，地面軌道交通網(wǎng)絡(luò)沉降的監(jiān)測方法主要包括GPS測量，水準(zhǔn)測量和傳感器監(jiān)測。但是上述方法的缺點(diǎn)是測點(diǎn)少且不易維護(hù)、周期長、成本高、無法快速實(shí)現(xiàn)大面積詳細(xì)測量。近年來合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)(differential interferometric synthetic aperture radar)憑借著全天時(shí)、全天候、高精度、大范圍等優(yōu)點(diǎn)受到了許多學(xué)者的關(guān)注[2-3]。然而，合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量法容易失去相干性和大氣延遲，并且不能夠?qū)崿F(xiàn)基于時(shí)間序列的高精度測量[4]。于是中外學(xué)者在合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)基礎(chǔ)上提出了時(shí)間序列合成孔徑雷達(dá)(time series interferometry synthetic aperture radar，TS-InSAR) 技術(shù)。目前，InSAR技術(shù)已應(yīng)用于地面沉降和地面軌道交通網(wǎng)絡(luò)的沉降監(jiān)測[5-9]。文獻(xiàn)[10]采用持久散射干涉合成孔徑雷達(dá)(persistent scatterer interferometric synthetic aperture radar，PS-InSAR)技術(shù)，利用覆蓋廣州地區(qū)的先進(jìn)合成孔徑雷達(dá)(advanced synthetic aperture radar，ASAR) 和相控型避雷器L波段合成孔徑雷達(dá)(phased array type L-band synthetic aperture radar，PALSAR) 數(shù)據(jù)，并采用30 m分辨率的航天飛機(jī)雷達(dá)拓?fù)錅y繪(shuttle radar topography mission，SRTM)數(shù)字高程模型來消除由去相關(guān)引起的相位跳變，成功獲取了廣州地鐵沿線地面形變信息，其反演結(jié)果與利用 Peck和回歸時(shí)間模型結(jié)果有較好的一致性。文獻(xiàn)[11]利用覆蓋北京地區(qū)的 Radarsat-2合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和借助30 m分辨率的SRTM1數(shù)字高程模型，利用 TS-InSAR技術(shù)和熵方法分析了北京地鐵沿線地面沉降的時(shí)空演變。但上述研究所采用的合孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)衛(wèi)星影像分辨率較低，無法實(shí)現(xiàn)更高精度的形變觀測，且其所使用的 ASAR、PALSAR、Radarsat-2等衛(wèi)星已停止運(yùn)行，無法提供連續(xù)更新的 SAR影像數(shù)據(jù)。而歐洲航天局(ESA)于2014年發(fā)射的Sentinel-1A SAR衛(wèi)星具有重訪周期短6 d，分辨率高(最高達(dá)5 m)、噪聲小且影像一致性良好、數(shù)據(jù)開源等優(yōu)點(diǎn)，可以為城市地鐵網(wǎng)絡(luò)的地面沉降監(jiān)測提供連續(xù)更新和高精度的SAR衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。以南寧地鐵為例，利用Sentinel-1A SAR數(shù)據(jù)和TS-InSAR技術(shù)，借助外部高精度的精密定軌(precise orbit determination，POD)精密軌道數(shù)據(jù)和先進(jìn)星載電磁發(fā)射和反射輻射計(jì)全球數(shù)字高程模型(advanced spaceborne thermal emission and reflection radiometer global digital elevation model V2，ASTER GDEMV2)去除由去相關(guān)引起的相位跳變，獲取2017年6月—2019年1月南寧地鐵網(wǎng)絡(luò)地面沉降速率場，并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析地鐵沿線地面沉降情況和沉降時(shí)空分布規(guī)律。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)集

1.1 研究區(qū)

南寧(107°45′E～108°51′E; 22°13′N～23°32′N)是廣西壯族自治區(qū)首府，是泛北部灣、泛珠三角、大湄公河合作的交匯點(diǎn)。2017年1月20日，國務(wù)院將南寧定位為面向東盟的核心城市，是北部灣城市群發(fā)展規(guī)劃邊界的特大城市。根據(jù)南寧規(guī)劃局所公布的資料，目前南寧擬建造8條地鐵，其中地鐵1號、2號線已投入運(yùn)營，地鐵3號線、4號線和5號線正在建設(shè)中，地鐵6號線、7號線和8號線正在規(guī)劃和選址。南寧各地鐵區(qū)段基本概況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)集

選用2017—2019年覆蓋南寧區(qū)域的20景Sentinel-1A SAR影像進(jìn)行研究，其數(shù)據(jù)范圍如圖1所示，衛(wèi)星基本參數(shù)見表1。試驗(yàn)中使用的POD精密軌道數(shù)據(jù)由歐洲航天局發(fā)放，ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)是由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(METI)和美國國家航空航天局(NASA) 聯(lián)合開發(fā)的新一代全球DEM，于2015年1月6日正式發(fā)布，其基本參數(shù)見表2。

表1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的基本參數(shù)

表2 DEM數(shù)據(jù)的基本參數(shù)

2 地鐵沿線地面形變監(jiān)測方法

TS-InSAR方法第一步是生成具有時(shí)間和空間基線的干涉測量對，以減少軌道誤差和去相關(guān)。圖2為Sentinel-1A SAR影像時(shí)空基線分布圖。

圖2 Sentinel-1A的時(shí)空基線分布

對于干涉圖中每個(gè)像素的相位斜坡，可以通過式(1)建模：

φ(x,y)ramp=a0+a1x+a2x2+a3xy+

a4y+a5y2+a6y+ε(x,y)

(1)

式(1)中：φ(x,y)ramp是模擬相位斜坡；x和y是像素的坐標(biāo)方位；ε(x,y)表示隨機(jī)相位誤差；ai表示估計(jì)參數(shù)。

在生成干涉圖并識別永久散射體(persistent scatterer,PS)和分布式散射體(distributed scatterer，DS)之后，可通過式(1)中的線性模型減小大氣延遲。通常，第k幅干涉圖中的兩個(gè)相鄰點(diǎn)x和y之間的相位差可表示為

(2)

(3)

3 結(jié)果與分析

3.1 地面沉降結(jié)果與分析

圖3為利用Sentinel-1A SAR數(shù)據(jù)和TS-InSAR技術(shù)所獲取的南寧2017年6月26日—2019年1月11日的地面沉降結(jié)果。整體來看，地表沉降基本分布在地鐵沿線區(qū)域。這些沉降區(qū)域的出現(xiàn)很可能與地鐵的建設(shè)與運(yùn)營密切相關(guān)：一方面，地鐵能給沿線區(qū)域帶來巨大的人流量和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此地鐵的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營都會對周邊區(qū)域的交通、商圈、房地產(chǎn)、工廠和企業(yè)的發(fā)展和建設(shè)產(chǎn)生重要影響，這種影響貫穿整個(gè)沿線區(qū)域。另一方面，隨著地鐵沿線區(qū)域越來越多地表建筑的修建，地表負(fù)荷在持續(xù)增加，再加上地面和地下工程結(jié)束后土體的自固結(jié)過程等因素的作用，容易導(dǎo)致地表的沉降。此外，地面與地下工程建設(shè)過程中會抽取地下水，而地下水是維系地表受力平衡的因素之一，過度抽取地下水也是引發(fā)地表沉降的誘因。

圖3 地面沉降結(jié)果

一般而言，點(diǎn)目標(biāo)相鄰區(qū)域具有相同的形變趨勢，故從圖3選取出4個(gè)沉降區(qū)域，并從中選取出沉降值最大點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行分析和討論，圖4為對應(yīng)的點(diǎn)目標(biāo)累積沉降量。結(jié)果顯示，所選取的點(diǎn)目標(biāo)的在一定時(shí)間范圍內(nèi)有小幅回彈，但整體呈現(xiàn)下沉趨勢，累積沉降值均超過-24 mm，最大沉降的點(diǎn)目標(biāo)是P1，三年累計(jì)沉降達(dá)到了-47.41 mm。

圖4 點(diǎn)目標(biāo)的累計(jì)沉降量

圖5給出南寧形變速率直方圖，可以發(fā)現(xiàn)，2017年6月—2019年1月，南寧地表形變速率主要分布在-10～10 mm/a，Sentinel-1A TS-InSAR檢測到的PSs點(diǎn)目標(biāo)數(shù)量為664 167個(gè)。

圖5 形變速率直方圖

圖6 AB區(qū)段的地面形變側(cè)視圖

3.2 地鐵沿線地面沉降分析

圖6給出P1—P2區(qū)域地鐵3號線(在建)AB區(qū)段沿線的地面形變速率側(cè)視圖?？梢钥闯觯摱巫畲蟪两德蔬_(dá)到-22.19 mm/a，沉降點(diǎn)主要分布在沿線新建住宅區(qū)。PSs點(diǎn)目標(biāo)的形變趨勢顯示AB區(qū)段呈下沉趨勢。AB區(qū)段的沉降可能是由于：地鐵建造過程中，需要對地下水進(jìn)行排除，而地面建筑物建造過程中，也需要對地下水進(jìn)行抽取，而地下水的過度抽取容易使地表受力不平衡，從而導(dǎo)致沉降。此外，地面和地下工程結(jié)束后，土體的自固結(jié)過程往往伴隨沉降的發(fā)生，從而帶來持續(xù)的地面沉降。對于在建中AB區(qū)段，持續(xù)地面沉降，不僅加大地鐵建設(shè)地下施工的難度，還會給地下工程帶來安全隱患。因此，在地鐵工程施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)段地鐵的地面沉降監(jiān)測。

圖7給出放大后的P3區(qū)域地表形變速率圖。其中，P3區(qū)域的地鐵1、2號線下穿南寧火車站并實(shí)現(xiàn)換乘。為了更直觀地掌握該地區(qū)地面沉降情況，圖8為利用PSs點(diǎn)目標(biāo)累計(jì)沉降量，通過線性內(nèi)插，生成的P3區(qū)域三維地表累計(jì)形變模型。模型顯示，地鐵1號、2號線兩側(cè)的形變差異明顯，左側(cè)呈抬升趨勢，右側(cè)呈現(xiàn)沉降趨勢，最大累計(jì)沉降達(dá)到了-25.07 mm。整體來看，該區(qū)域地面和地下工程眾多，地面列車鐵軌線路密集，人流量集中，地面形變差異呈現(xiàn)明顯的增長趨勢。此外，在本文監(jiān)測時(shí)間內(nèi)，南寧火車站正在擴(kuò)建，這可能是造成該區(qū)域地面形變差異的原因之一。為保障地鐵1號、2號線的安全運(yùn)營，應(yīng)持續(xù)監(jiān)測該區(qū)段地表沉降和加強(qiáng)地基和地下工程結(jié)構(gòu)的維護(hù)，以減緩地表差異形變對地鐵運(yùn)營的影響。

圖7 P3區(qū)域的地面形變速率圖

圖8 P3區(qū)域的三維地表形變模型

圖9給出放大后的P4區(qū)域地表形變速率圖。可以發(fā)現(xiàn)，地表沉降主要集中在各企業(yè)廠區(qū)內(nèi)，最大累計(jì)沉降達(dá)到了-42.87 mm。圖10的P4區(qū)域三維地表累計(jì)形變模型顯示了該地區(qū)形變差異較為明顯，地鐵工程區(qū)內(nèi)有2種以上形變區(qū)域，且形變情況較為嚴(yán)重。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域內(nèi)的企業(yè)廠區(qū)多為平房結(jié)構(gòu)，缺少鋼筋地基，多為軟土基層上單層鋪設(shè)瀝青或混凝土面層的地基。隨著地面載荷的增加和土體的自固結(jié)，很容易引起地表的沉降。因此，地鐵4號、5號線在此掘進(jìn)過程中應(yīng)注意監(jiān)測潛在的沉降災(zāi)害和評估地面沉降相關(guān)的坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 P4區(qū)域的地面形變速率圖

圖10 P4區(qū)域的三維地表形變模型

4 結(jié)論

以南寧地鐵為例，利用Sentinel-1A SAR數(shù)據(jù)和TS-InSAR技術(shù)，借助外部高精度的POD精密軌道數(shù)據(jù)和ASTER GDEM V2去除由去相關(guān)引起的相位跳變，獲取了南寧2017年6月26日—2019年1月11日地表沉降時(shí)間序列，并對南寧地鐵沿線地面沉降的分布規(guī)律以及沉降原因作了重點(diǎn)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，2017—2019年，南寧整體的地表沉降特征較為明顯，最大累計(jì)沉降達(dá)到了-47.41 mm。大部分城區(qū)相對穩(wěn)定，沉降區(qū)主要分布在各地鐵沿線區(qū)域，且隨著南寧經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市地鐵建設(shè)的加快，各地鐵沿線地面沉降呈逐漸增強(qiáng)和擴(kuò)散趨勢。本試驗(yàn)結(jié)果證明了Sentinel-1A TS-InSAR在城市地鐵沿線地面沉降監(jiān)測中的優(yōu)勢，且試驗(yàn)結(jié)果可為相關(guān)部門對南寧地表沉降災(zāi)害防治、城市地鐵選址規(guī)劃、地鐵工程區(qū)建設(shè)和地鐵運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)評估提供科學(xué)參考。