高文峰

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

1989 年，InSAR 技術首次被用于提取美國加利福尼亞因皮里爾河谷地面的形變信息，此后，逐步發(fā)展出差分合成孔徑雷達干涉(DInSAR)的概念、原理及數(shù)據(jù)處理方法，其應用遍及地面沉降、冰川漂移、地震形變場、火山及滑坡等領域[1-2]，從定性分析地表形變規(guī)律到定量提取地物形變量得到了持續(xù)發(fā)展[3-4]。 作為鐵路勘察設計單位，急需探索InSAR 技術為鐵路測量技術發(fā)展如何能帶來變革。

InSAR 技術在形變監(jiān)測領域中應用于差分合成孔徑雷達干涉測量，受時空相關、大氣以及噪聲等殘余相位的限制，基于常規(guī)二軌DInSAR 技術的沉降監(jiān)測結果只能達到cm 級，且沉降信息易被遮掩，僅能用于定性提取沉降和采空區(qū)的范圍[5-8]。 為克服殘余相位的影 響， 提 出 了Stacking、 PSI、 SBAS、 IPTA、 StaMPS、DSInSAR 等時序DInSAR 算法，這些方法利用相干點、永久散射體點及分布式散射體點，基于不同組合方式的差分干涉相位進行時序解算，從而獲取高精度的沉降監(jiān)測結果[9-11]。

1 DInSAR 基本原理

DInSAR 的英文全稱是 Difference Synthetic Aperture Radar Interferometry，該技術自誕生以來，經(jīng)歷了SAR、InSAR 到DInSAR 的發(fā)展歷史，在SAR 傳感器發(fā)展的基礎上，不斷發(fā)展干涉測距技術。 因此，在理解DInSAR 技術之前，首先需要了解SAR、InSAR 以及它們與DInSAR 之間的關系。

1.1 合成孔徑雷達(SAR)

SAR(Synthetic Aperture Radar)的中文全稱是合成孔徑雷達，在真實孔徑雷達的基礎上，利用多普勒頻移合成技術提高單像元的方位向分辨率；SAR 傳感器也是一種主動式微波傳感器，以星載SAR 傳感器為例，其成像過程可以概括為:傳感器主動發(fā)射微波信號，接收、記錄地物反射的微波信號(往返均穿過大氣層)，再經(jīng)過地面接收站的信號處理得到SAR 影像。 與光學傳感器(手機、航攝相機拍攝的照片)不同，SAR 影像利用微波反射強度信息(即振幅)表現(xiàn)在圖像上的灰度信息，并不包含RGB 等波段信息，看起來也不清晰(如圖1 所示)。 因此，直接用人眼進行圖像解譯較為困難。

圖1 光學影像與SAR 影像對比

SAR 影像看上去全是黑白的斑點，其實除了肉眼可見的振幅信息之外，這里面隱藏著SAR 圖像最有用的信息—相位信息，要實現(xiàn)高精度的沉降信息提取，靠的就是這種特殊的“相位信息”(類似于GPS 的相位信息)。

1.2 合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)

InSAR(Synthetic Aperture Radar Interferometry)的中文全稱是合成孔徑雷達干涉測量，其利用獲取的SAR 影像進行干涉測量(原理用到波粒二象性，楊氏雙縫干涉實驗)，通過對兩幅同一個地區(qū)的SAR 數(shù)據(jù)進行干涉(對應像元相位相減)，可得到DEM(數(shù)字高程模型)。 2000 年，NASA 利用航天飛機搭載雙天線SAR 設備，對全球南北緯60°之間的陸地進行地形掃描，從而獲得全球高精度的數(shù)字高程模型—SRTM。 到目前為止，SRTM 依然是全球使用率最高的DEM 數(shù)據(jù)，被廣泛應用于科研、工程經(jīng)濟建設中。

1.3 合成孔徑雷達差分干涉測量(DInSAR)

DInSAR 的中文全稱是合成孔徑雷達差分干涉測量，就是在InSAR 的前面增加了一個字母“D”，這個“D”就代表了差分(Difference)。 DInSAR 的主要原理是對形變前后同一區(qū)域進行重復觀測，利用形變前后的SAR 影像獲取干涉圖，并通過差分技術，剔除參考橢球面相位、地形相位、大氣相位、基線相位和噪聲相位等殘余相位信息，從而提取形變相位信息。 其中，以地形相位所占比重最大，在理想的情況下，大氣相位、基線相位和噪聲相位等可以忽略[12-15]。

圖2 為二軌法DInSAR 示意，紅色為形變前(第一次)獲取的SAR 數(shù)據(jù)，藍色為第二次(形變后)獲取的SAR 數(shù)據(jù)。 由圖2 可知，地形發(fā)生了沉降，故兩次觀測的相位不一樣，此時，干涉圖里包含了形變量和地面高程量信息，采用InSAR 結果與既有地形(比如SRTM)進行差分(二軌差分)，也就是把地面高程量從干涉相位中減掉，就能提得到形變量信息。

圖2 二軌差分干涉

為進一步研究干涉相位中非形變相位信息的影響，科研人員又相繼提出了多種監(jiān)測方法，如小集線集差分干涉測量(SBAS)；基于永久散射體的差分干涉測量(PSInSAR)； 基于角反射器的差分干涉測量(CRInSAR)等，都是在DInSAR 的基礎上發(fā)展而來的，統(tǒng)稱為基于時間序列的DInSAR 技術。 隨著技術的不斷進步，其監(jiān)測精度和效率也在逐步提高。

1.4 DInSAR 的優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段(水準、GNSS、靜力水準儀等)，DInSAR 優(yōu)勢主要有以下幾點。

(1)主動式長波段的面狀監(jiān)測可以24 h 全天候獲取高時空分辨率影像，從而提取mm 級的地表沉降。

(2)作為一種獲取地表沉降的遙感手段，避免了傳統(tǒng)沉降監(jiān)測需要現(xiàn)場作業(yè)的問題，避開了測量與運營之間的矛盾，節(jié)省了大量外業(yè)工作。

(3)相較于傳統(tǒng)技術手段的點監(jiān)測模式，DInSAR方法獲取的是影像覆蓋范圍內的區(qū)域性沉降信息，在空間內具有連續(xù)性；另外，區(qū)域沉降信息更加豐富和直觀，更容易找出沉降源及沉降原因。

(4)在一些沉降監(jiān)測網(wǎng)布設不完全以及監(jiān)測不及時區(qū)域，利用SAR 傳感器獲取的歷史存檔影像，可以獲取感興趣區(qū)域的歷史沉降信息，從而對未來沉降趨勢進行預測，這對不良地質的判斷及鐵路方案的選擇起到了重要的作用。

1.5 DInSAR 的局限性

在鐵路沉降監(jiān)測中，DInSAR 技術也存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在以下方面。

(1)鐵路呈現(xiàn)帶狀走向，里程較長，一景影像難以完全覆蓋感興趣區(qū)域，數(shù)據(jù)量要求較大；另外，需要的區(qū)域內不一定有合適并足夠的存檔數(shù)據(jù)。

(2)商業(yè)化、界面化的DInSAR 數(shù)據(jù)處理軟件較少，尤其缺乏成熟的國產(chǎn)DInSAR 數(shù)據(jù)處理軟件。

(3)國際上非商業(yè)SAR 數(shù)據(jù)源較少，而商業(yè)SAR數(shù)據(jù)費用較高(尤其是高分辨率SAR 數(shù)據(jù))，國內公開的SAR 衛(wèi)星仍處于起步階段。

(4)相較于傳統(tǒng)監(jiān)測方式(水準、GPS 等)，沉降位置難以精確到具體的點位。

2 DInSAR 常用方法及應用范圍

2.1 常規(guī)DInSAR 差分干涉測量

常規(guī)DInSAR 方法包括二軌法、三軌法、四軌法，這種方法適合于監(jiān)測精度要求不高且研究區(qū)域內SAR 數(shù)據(jù)較少的情況，這種方法只需二至四景SAR 數(shù)據(jù)，但需要形成相干性較高的形變干涉對。 受植被影響，一般波長越長監(jiān)測精度越高，但靈敏度降低，難以監(jiān)測微小形變。 常規(guī)DInSAR 差分干涉測量多用于勘察設計前確定采空區(qū)、明顯沉降漏斗范圍，主要用來定性分析，滿足對采空區(qū)、滑坡、地震等沉降較為劇烈的地質災害的形變監(jiān)測，其監(jiān)測精度一般只能達到cm 級。

主要步驟包括:①數(shù)據(jù)分析，綜合考慮工程需求、數(shù)據(jù)成本、數(shù)據(jù)存檔以及數(shù)據(jù)組合質量等因素，合理選擇SAR 數(shù)據(jù)組合的時空基線，構建最優(yōu)的形變干涉像；②數(shù)據(jù)處理，根據(jù)常規(guī)差分干涉數(shù)據(jù)處理的流程，利用外部DEM 數(shù)據(jù)，完成差分干涉處理和沉降量提??；③成果分析，根據(jù)沉降量信息，并結合光學影像輔助分析，從而提取漏斗中心沉降量、沉降漏斗范圍與邊緣沉降量差異等指標；④工程應用，結合既有地質、沉降監(jiān)測等資料，進行實地踏勘調查，綜合分析重點漏斗區(qū)沉降原因，提出相關建議，最終形成應用報告輔助勘察設計應用。

2.2 基于時序DInSAR 差分干涉測量

當需要長時間段連續(xù)高精度沉降監(jiān)測且能夠收集到較多的SAR 數(shù)據(jù)時(一般不少于20 景)，宜采用時序DInSAR(如PSInSAR、SBAS)方法進行沉降監(jiān)測。以PSInSAR 方法為例，通過大量不同時期的SAR 數(shù)據(jù)構建時間序列數(shù)據(jù)集(如圖3(a)所示)，根據(jù)振幅離差指數(shù)等指標，從序列集中可以提取出SAR 影像中的PS 點作為觀測點，通過時序建模獲取PS 點的緩慢連續(xù)地表沉降信息，再進行沉降量、沉降速率和沉降趨勢分析(如圖3(b)所示)。

圖3 時序DInSAR 過程和結果(單位：mm)

基于時間序列的DInSAR 差分干涉測量方法適用于數(shù)據(jù)量較多且對沉降監(jiān)測的范圍和精度要求較高的情況，以及長時間、持續(xù)監(jiān)測的工程，如高鐵運營維護過程中的沉降監(jiān)測，其監(jiān)測精度能夠達到mm 級。

3 應用案例

3.1 雅萬高鐵區(qū)域沉降監(jiān)測

(1)項目概述

雅萬高鐵位于印度尼西亞爪哇島，連接印尼首都雅加達和印尼第二大城市萬隆，全長139 km。 資料顯示，雅加達歷史上存在比較嚴重的區(qū)域沉降，萬隆市存在大范圍的軟土沉降區(qū)。 為深入了解雅萬高鐵沿線歷史地面沉降及現(xiàn)階段沉降狀況，采用InSAR 技術對雅加達和萬隆地區(qū)進行地面沉降監(jiān)測，以準確獲取沉降漏斗范圍、漏斗中心、歷史沉降量，線位與沉降區(qū)的關系，為鐵路選線、施工、運營提供精確的沉降資料。

(2)監(jiān)測結果

利用2014 年10 月～2016 年10 月34 景Sentinel-1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用時間序列PSInSAR 沉降監(jiān)測技術，對萬隆地區(qū)CK110～CK140 段落進行沉降監(jiān)測，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，CK117～CK140 處于萬隆地區(qū)軟土層沉降區(qū)內。 在沉降區(qū)內，存在多個沉降漏斗，這些沉降漏斗或穿過線位，或距線位較近，鐵路沿線最大沉降速率達120 mm/a。 沉降曲線如圖4 所示。

圖4 萬隆地區(qū)軟土層沉降監(jiān)測沉降等值線

基于2014 年10 月～2017 年4 月40 期Sentinel-1A/B 數(shù)據(jù)，利用時間序列PSInSAR 沉降監(jiān)測技術，對雅加達市區(qū)沿線位地面沉降進行監(jiān)測，監(jiān)測結果如圖5 所示。

監(jiān)測發(fā)現(xiàn):①在雅萬高鐵雅加達地區(qū)發(fā)現(xiàn)4 處沉降區(qū)域，分別位于DK10 ～DK16 左側，DK17 左側，DK16 ～DK19+500 左側，DK21～DK34 左側；②雖然線位未穿過沉降漏斗中心，但經(jīng)過3 處不均勻沉降位置，其沉降速率分別為35 mm/a、20 mm/a、15 mm/a(見圖6)。

圖5 雅加達DInSAR 沉降監(jiān)測結果

圖6 雅加達地區(qū)線位沉降速率(雅萬高鐵萬隆段DK104+000～DK142+000)

(3)通過對線位上PS 點的時間序列分析發(fā)現(xiàn)(如圖7)，3 個相關沉降漏斗區(qū)一直呈線性沉降趨勢，且沒有減緩的跡象，設計過程中需要重點關注。

3.2 京津城際亦莊段橋梁沉降監(jiān)測

(1)項目概述

京津城際是我國第一條高速鐵路，于2008 年8 月1 日通車運行。 京津城際沿線通過幾處漏斗區(qū)，多年以來一直在沉降。 其中，主要有亦莊沉降區(qū)、武清沉降區(qū)、北倉沉降區(qū)。 2014 年～2016 年期間，采用DInSAR技術對京津城際全線進行沉降監(jiān)測，主要內容如下。見圖7。

圖7 PS 點沉降速率分析

①沿線區(qū)域沉降監(jiān)測

對京津城際沿線5 km 內的區(qū)域沉降情況進行分析，分析出重點沉降不均勻區(qū)域范圍及沉降量。

②結構體沉降監(jiān)測

獲取京津城際鐵路構筑物(路基、橋梁、隧道)沉降縱斷面。

③差異沉降監(jiān)測

高鐵構筑物與地表之間的差異沉降，構筑物不同結構(路橋結合部)之間的差異沉降，同一構筑物內部的差異沉降(橋墩之間)。

(2)監(jiān)測結果

①全線區(qū)域沉降監(jiān)測結果

圖8 是采用低分辨率的Sentinel 衛(wèi)星處理的京津城際全線地表區(qū)域沉降速率示意，由圖8 可知，全線主要的沉降漏斗區(qū)有3 處，監(jiān)測范圍內年沉降速率最大100 mm。

圖8 京津城際全線地表區(qū)域沉降速率示意

②結構體監(jiān)測

圖9 是利用1 m TSX 數(shù)據(jù)處理的京津城際構筑物沉降速率對比分析示意，其中，粉色點表示InSAR 監(jiān)測的PS 點的沉降速率，藍色點表示水準水準監(jiān)測沉降速率，通過對比發(fā)現(xiàn)，InSAR 監(jiān)測結果與水準監(jiān)測結果基本一致，平均中誤差優(yōu)于3.8 mm/a。

③差異沉降分析

圖10 是高鐵構筑物沉降跟地表區(qū)域沉降的差異分析，采用線上線下分開評價思路，提取線上結構體沉降，高鐵線下地面沉降，以及周邊沉降，從而實現(xiàn)區(qū)分結構體沉降和工后沉降的目標，以評價周邊區(qū)域沉降的演變對高鐵結構體影響。

圖11 是高鐵結構上相鄰PS 點的差異分析及CPIII 差異沉降分析。 通過分析相鄰CPIII 點位處InSAR 監(jiān)測和水準觀測結果的差異，可以發(fā)現(xiàn)二者的高度吻合，說明1 m TSX 可以實現(xiàn)對高鐵縱向差異沉降成果的獲取，對高鐵差異超限段落里程的核查和評價，以及對高鐵過渡段的精細監(jiān)測。

圖9 京津城際構筑物沉降速率對比分析

圖10 京津城際構筑物沉降速率對比分析

圖11 京津城際高鐵構筑物上PS 點差異沉降分析

4 結論

(1)DInSAR 技術應用于鐵路區(qū)域沉降監(jiān)測，更容易發(fā)現(xiàn)歷史上煤礦開采形成的采空區(qū)及鐵路沿線的區(qū)域沉降，能夠輔助分析沉降原因。

(2)基于時間序列的差分干涉測量技術具有mm級的監(jiān)測精度，且隨著數(shù)據(jù)量的積累，其監(jiān)測可靠性越來越高，能夠探測到微小形變，可以用于監(jiān)測高鐵構筑物的微小沉降。

(3)根據(jù)DInSAR 監(jiān)測的地表沉降結果，使得現(xiàn)場踏勘調查的目標更加明確，減少了外業(yè)工作量，極大提高調查效率。

(4)根據(jù)DInSAR 監(jiān)測結果進行控制點的沉降分析，可以將控制點(監(jiān)測點)布設在更加合理的位置。