合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)，即InSAR技術(shù)，是一種能夠全天時(shí)、全天候、高精度大范圍覆蓋獲取研究區(qū)的地面高程和地表形變信息的技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的核心是利用雷達(dá)影像的干涉相位信息獲取地表的信息，其最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，主要用途是利用相位信息測量地形起伏情況，自此之后InSAR技術(shù)開始不斷發(fā)展[1]-[3]。InSAR技術(shù)在發(fā)展初期多為利用兩景雷達(dá)影像獲取地形信息，隨著InSAR技術(shù)的發(fā)展以及研究者對雷達(dá)干涉技術(shù)的了解，部分研究者開始轉(zhuǎn)換研究目標(biāo)。從最初的利用InSAR技術(shù)研究地形信息轉(zhuǎn)向利用雷達(dá)干涉技術(shù)研究地表的形變信息，同時(shí)考慮雷達(dá)干涉相位中包含有地形信息[4]-[5]，研究者提出利用差分干涉測量技術(shù)，即D-InSAR技術(shù)，將干涉相位中的地形信息利用外部DEM數(shù)據(jù)或雷達(dá)影像干涉處理獲得的DEM數(shù)據(jù)來去除，從而獲取地表的形變信息。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度也在不斷推進(jìn)，地鐵、公路、高速鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施在建設(shè)過程中會(huì)對其上層地表或周邊地區(qū)的地表帶來影響，使其發(fā)生一定的形變。為確保在不影響人民日常生活的基礎(chǔ)上完成基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，就需要了解建設(shè)施工對地表的影響規(guī)律，從而采取有效的措施對周邊地表及建筑等實(shí)施防護(hù)，防止危害發(fā)生[6]-[7]。本文基于InSAR地表形變測量在時(shí)間和空間上的優(yōu)勢與水準(zhǔn)測量高精度測量特點(diǎn)，利用高分辨率雷達(dá)數(shù)據(jù)及水準(zhǔn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究隧道地表的沉降特征并驗(yàn)證InSAR技術(shù)在隧道地表及建筑物形變監(jiān)測中的可行性。

1.InSAR測繪技術(shù)及其特點(diǎn)

1.1 D-InSAR技術(shù)基本原理

雷達(dá)影像展示的是電磁波與地面目標(biāo)相互作用之后的結(jié)果，合成孔徑雷達(dá)則是在真實(shí)雷達(dá)的基礎(chǔ)上，利用不斷移動(dòng)的短天線來增加天線長度，從而達(dá)到提高SAR影像分辨率的目的。雷達(dá)干涉測量（InSAR）技術(shù)是利用兩景雷達(dá)影像即兩次獲取的復(fù)數(shù)影像數(shù)據(jù)中的相位信息做干涉處理，來獲取地表的信息[8]-[12]。

圖1 兩軌法幾何原理圖

如圖1所示，假設(shè)衛(wèi)星兩次獲取同一區(qū)域的兩景雷達(dá)影像時(shí)天線位置分別為S1和S2，兩天線到地面點(diǎn)P的距離分別為r1和r2，衛(wèi)星兩次拍攝期間地表沿雷達(dá)視線方向發(fā)生形變?chǔ)（P →P'），根據(jù)干涉測量原理：

天線S1獲取地面點(diǎn)P的相位為：

天線S2獲取地面點(diǎn)P的相位為：

差分干涉相位相位為：

通過對D-InSAR技術(shù)理論原理及該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的誤差因素研究分析，總結(jié)得到D-InSAR技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)如下：

一是利用兩景影像獲取兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的地表形變量，輸出成果一般為柵格格式結(jié)果；

二是用于處理的兩景影像一般選取空時(shí)基線較小的影像對；

三是地形較復(fù)雜的地區(qū)做處理時(shí)一般選用精度較高的地形信息數(shù)據(jù)作為已知數(shù)據(jù)，且選用的地形數(shù)據(jù)信息要與影像的分辨率相匹配；

四是在一般應(yīng)用中，特別是山區(qū)等氣候多變的地區(qū)應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，在選取合適影像的基礎(chǔ)上，在處理過程中應(yīng)加入合適的處理算法來削弱大氣效應(yīng)的影響。

1.2 Ps-InSAR測量方法及應(yīng)用特點(diǎn)分析

PS-InSAR方法利用長時(shí)間序列的雷達(dá)圖像進(jìn)行測量，PS點(diǎn)的識(shí)別受到幾何和時(shí)間相關(guān)的影響，并利用強(qiáng)大的算法來估計(jì)和去除大氣效應(yīng)的影響。PS點(diǎn)的識(shí)別是振幅離差因子和相干系數(shù)共同作用的結(jié)果。PS-InSAR方法能夠?qū)υ谳^長的時(shí)間間隔內(nèi)的雷達(dá)影像進(jìn)行處理（PS點(diǎn)能夠在較長的時(shí)間內(nèi)保持良好的后向散射特性和高相關(guān)性），如某城市雷達(dá)影像的時(shí)間間隔超過3年，在利用PS-InSAR方法進(jìn)行干涉測量時(shí)仍能夠獲取較多的PS點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 PS-InSAR方法處理結(jié)果

2.隧道測繪數(shù)據(jù)分析

以京張高鐵盾構(gòu)段為例，圖3為基于Sentinel-1A衛(wèi)星系統(tǒng)獲取的研究區(qū)2017年12月-2018年11月間的28景高分辨率雷達(dá)衛(wèi)星影像，采用PS-InSAR方法，獲取隧道中線左右200m范圍內(nèi)2017年12月-2018年11月研究區(qū)地表形變監(jiān)測成果（LOS方向）。

2017年12月-2018年11月Sentinel數(shù)據(jù)的PS-InSAR監(jiān)測成果中共有PS點(diǎn)11806個(gè)，其中，形變速率絕對值超過8mm/y的PS點(diǎn)個(gè)數(shù)共879個(gè)，占總數(shù)的7.4%；2017年11月-2018年12月的累計(jì)形變量絕對值超過10mm的PS點(diǎn)個(gè)數(shù)共916個(gè)，占總數(shù)的7.7%，累計(jì)形變量絕對值超過20mm的PS點(diǎn)共59個(gè)。監(jiān)測結(jié)果中PS點(diǎn)多位于建筑物和部分道路上，由于數(shù)據(jù)量相對較多（時(shí)間基線較短）、空間基線短，影像中像元之間的相干性較高且數(shù)據(jù)分辨率較低，其PS分布情況相對于COSMO數(shù)據(jù)結(jié)果更均勻，其中盾構(gòu)線路中部即b盾構(gòu)井附近存在明顯沉降現(xiàn)象，但整體沉降量較小。

圖3 京張高鐵盾構(gòu)段2017年12月-2018年11月累計(jì)形變量圖

圖4 隧道中線上層地表點(diǎn)下沉速率變化圖（a深部，b淺部）

3.基于InSAR測繪技術(shù)的地表沉陷分析

3.1 隧道地表沉降規(guī)律研究

地表移動(dòng)時(shí)間是指盾構(gòu)隧道上層地表從移動(dòng)開始到移動(dòng)穩(wěn)定所持續(xù)的時(shí)間。盾構(gòu)隧道中線最深處（隧道深度為29.95m）和隧道某淺部位置（隧道深度為9.5m）上層地表點(diǎn)下沉速率變化如圖4所示。

圖5 b～a盾構(gòu)井之間的地鐵線路形變結(jié)果圖

隧道盾構(gòu)過程中，地表點(diǎn)的下沉速率會(huì)發(fā)生有規(guī)律的變化：初期下沉速率變化很慢，隨著盾構(gòu)面推進(jìn)，下沉速率逐漸增大，達(dá)到最大值，然后逐漸變小，直至地表移動(dòng)停止。根據(jù)盾構(gòu)隧道中線不同深度隧道開挖導(dǎo)致的其上層地表點(diǎn)的下沉速率變化可以發(fā)現(xiàn)：對于深部隧道，下沉速率從0至1mm/d、從1mm/d至最大下沉速率大約需要2天時(shí)間，從最大下沉速率到再次變?yōu)榱阈枰?天，京張高鐵盾構(gòu)隧道中深部隧道開挖地表的移動(dòng)時(shí)間為12天；對于淺部隧道，下沉速率從0至1mm/d需要1天，從1mm/d至最大下沉速度需要2天，從最大下沉速度至再次變?yōu)榱阈枰?天，京張高鐵盾構(gòu)隧道中淺部隧道開挖導(dǎo)致的地表移動(dòng)時(shí)間為6天。通過了解隧道盾構(gòu)對地表的影響時(shí)間，掌握不同深度隧道盾構(gòu)導(dǎo)致的地表移動(dòng)時(shí)間的變化規(guī)律，可以確定盾構(gòu)過程中地表發(fā)生劇烈變化的時(shí)間范圍，對于盾構(gòu)隧道上層地表及建筑等的保護(hù)具有實(shí)際意義，同時(shí)也可為地表的監(jiān)測時(shí)間提供技術(shù)支持，確保準(zhǔn)確完整的監(jiān)測盾構(gòu)隧道地表的實(shí)時(shí)移動(dòng)狀況，為工程建設(shè)提供安全保障。

3.2 周邊地鐵線路形變情況分析

盾構(gòu)隧道西側(cè)緊鄰已有地鐵線L1，與L1呈近平行狀態(tài)，且該段地鐵線路為地上線路，利用InSAR技術(shù)能夠獲取地鐵線路上的PS點(diǎn)，但由于衛(wèi)星拍攝角度和周邊建筑物以及其他因素影響，InSAR監(jiān)測結(jié)果中地鐵線路中有一部分路段不存在PS點(diǎn)，需要對b～a盾構(gòu)井之間的InSAR對地鐵線路的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。b～a盾構(gòu)井之間的地鐵線路形變結(jié)果如圖5所示。

該段線路中PS點(diǎn)總數(shù)為1599個(gè)，其中年平均形變速率絕對值大于8mm/y的PS點(diǎn)共182個(gè)，占總PS點(diǎn)個(gè)數(shù)的11.4%，最大年平均沉降速率為16.5mm/y，位于b盾構(gòu)井西側(cè)的地鐵線路上；2017年12月-2018年11月累計(jì)形變量絕對值超過10mm的PS點(diǎn)43個(gè)，占總數(shù)的2.1%，主要位于b盾構(gòu)始發(fā)井西側(cè)的地鐵線路上。

根據(jù)地鐵線的歷史累計(jì)形變量變化圖可知，在盾構(gòu)井附近地鐵線的形變較其他區(qū)域變化明顯，從2017年12月至2018年3月，累計(jì)形變量在±5mm以內(nèi)，且大部分形變區(qū)在盾構(gòu)井附近，至2018年6月部分區(qū)域累計(jì)沉降量超過9mm，主要位于b盾構(gòu)井附近；至2018年11月，地鐵線整體形變穩(wěn)定，b盾構(gòu)井附近地鐵線形變趨勢穩(wěn)定。地鐵線歷史累計(jì)形變量變化圖表明，高鐵盾構(gòu)隧道地下開挖對其西側(cè)的地鐵影響小或基本無影響，盾構(gòu)井的開挖對西側(cè)地鐵線存在影響，這是由于盾構(gòu)井的范圍和深度相對盾構(gòu)開挖隧道大，因此影響范圍也相對較大。

3.3 周邊建筑物形變分析

盾構(gòu)隧道開挖會(huì)對地表產(chǎn)生影響，特別是對于周邊存在的建筑物會(huì)造成不同的影響，而利用傳統(tǒng)方法很難對建筑物本身進(jìn)行監(jiān)測，通過對距離盾構(gòu)隧道較近的建筑物形變情況進(jìn)行分析，了解京張高鐵盾構(gòu)隧道開挖對周邊建筑物的影響情況。從PS點(diǎn)的歷史形變曲線可知，該建筑在2017年12月-2018年7月較為穩(wěn)定，2018年7月之后開始發(fā)生沉降現(xiàn)象，前期2018年7月-9月沉降緩慢，9月之后沉降速率加快，至2018年11月該位置沉降約10mm。根據(jù)收集到的盾構(gòu)隧道開挖信息綜合分析可知，盾構(gòu)施工至與該建筑物相對應(yīng)的隧道中線位置的時(shí)間為2018年8月1日，與建筑物發(fā)生形變的時(shí)間相吻合。

結(jié)合盾構(gòu)隧道開挖信息分析盾構(gòu)隧道周邊一定距離的建筑物的變形情況，了解到盾構(gòu)隧道開挖對地表一定距離內(nèi)的建筑物存在影響，隧道深度不同，對地表建筑物的影響范圍也存在差異，且建筑物由變化至穩(wěn)定所需時(shí)間較長。為了保障地下活動(dòng)的安全有效進(jìn)行，需要對地下活動(dòng)上層地表的建構(gòu)筑物進(jìn)行監(jiān)測，而傳統(tǒng)監(jiān)測需要花費(fèi)大量人力物力，因此，對于由地下活動(dòng)導(dǎo)致的地表建（構(gòu)）筑物的形變的監(jiān)測利用InSAR技術(shù)更有優(yōu)勢。

4.結(jié)論

本文主要研究了InSAR技術(shù)在隧道地表形變監(jiān)測中的應(yīng)用，在充分了解合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用InSAR技術(shù)獲取了變形數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果，并以此為依托對盾構(gòu)隧道盾構(gòu)開挖期間沿線區(qū)域的上層地表及周邊建筑物進(jìn)行定性和定量分析，研究高鐵盾構(gòu)隧道的地表沉降規(guī)律及其周邊建筑物的形變情況，從而保證高鐵建設(shè)及運(yùn)行的安全，為后期重點(diǎn)監(jiān)測提供依據(jù)，同時(shí)為今后高鐵及地鐵在城市密集建筑區(qū)的建設(shè)提供技術(shù)支持。