許麗雯，張志敏

（廣州城市職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510000）

0 引言

現(xiàn)階段城市軌道工程已經(jīng)成為緩解交通壓力的重要組成部分，對(duì)于帶動(dòng)地鐵沿線發(fā)展、加快城市經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的意義重大。但是根據(jù)現(xiàn)有城市軌道項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)可知，地鐵工程施工過程對(duì)周邊環(huán)境影響大，可能會(huì)造成道路坍塌、房屋開裂等諸多問題。因此，為切實(shí)保證工程施工安全，需要采用合理方案監(jiān)控城市軌道交通變形問題，盡早制定應(yīng)對(duì)措施，這也是本次研究的主要目的。

1 InSAR 技術(shù)

1.1 技術(shù)特征

InSAR 技術(shù)通過針對(duì)相同地區(qū)觀測(cè)兩幅SAR 數(shù)據(jù)做相關(guān)性處理后，利用獲取的目標(biāo)點(diǎn)相位信息評(píng)估地表高程、變形情況等[1]。從技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，InSAR 技術(shù)具有良好的適應(yīng)性，按照不同架設(shè)平臺(tái)以及使用條件，可將其劃分為以下3 種模式，分別為單軌雙天線橫向模式、雙天線單軌縱向模式、重復(fù)軌道測(cè)量模式，3 種模式中單軌雙天線橫向模式最為常見，其幾何原理如圖1 所示。

圖1 單軌雙天線橫向模式的幾何原理

1.2 InSAR 技術(shù)改進(jìn)方案

雖然傳統(tǒng)InSAR 技術(shù)在變形監(jiān)測(cè)等方面具有顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是傳統(tǒng)技術(shù)方案的缺陷較為明顯：在空間相關(guān)性上，由于衛(wèi)星的兩次觀測(cè)數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)差異，會(huì)導(dǎo)致空間基線，一旦該基線超過處理標(biāo)準(zhǔn)則會(huì)導(dǎo)致空間數(shù)據(jù)失去關(guān)聯(lián)[2]。因此，本文將采用PS-InSAR 技術(shù)來(lái)解決上述問題。

PS-InSAR 技術(shù)通過設(shè)置海量離散的PS 點(diǎn)位建立高度整合的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，在向其中提取區(qū)域信息后做反演，結(jié)合所有可探測(cè)的PS 點(diǎn)位以及相位模型來(lái)計(jì)算每個(gè)PS 點(diǎn)位的變形速率。在技術(shù)應(yīng)用階段，該方法通過“n＋1”個(gè)圖像為主圖像，再將其他數(shù)字圖像進(jìn)行匹配后，即可插入外部高程信息，形成干涉圖，隨后即可在干涉圖中尋找合適的PS 點(diǎn)；在PS 點(diǎn)中創(chuàng)設(shè)差分干涉相位模型，計(jì)算每個(gè)點(diǎn)位的位置屬性，觀察其變化。最后通過數(shù)據(jù)結(jié)果解讀的方式獲取最后階段的形變序列。

經(jīng)改進(jìn)后的PS-InSAR 技術(shù)可消除大氣相位造成的數(shù)據(jù)誤差，使測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)度更高，再加之變形檢測(cè)中的目標(biāo)點(diǎn)位存在散射能力，所以測(cè)試中可保證被測(cè)項(xiàng)目具有良好的關(guān)聯(lián)性，避免因?yàn)闀r(shí)間或者空間變化而導(dǎo)致物體特性改變[3]。并且經(jīng)改進(jìn)后，PS-InSAR 技術(shù)展現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，尤其是可滿足地形緩慢變形監(jiān)測(cè)要求。

2 InSAR 技術(shù)在城市軌道交通形變監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的實(shí)例分析

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

地鐵項(xiàng)目是某城市市政工程項(xiàng)目建設(shè)的重要一環(huán)，自第一條鐵路開工建設(shè)以來(lái)，當(dāng)?shù)氐罔F總里程超過130km，而為進(jìn)一步緩解當(dāng)?shù)亟煌▔毫Γ?dāng)?shù)卣?guī)劃了一條新的地鐵線路。

2.2 SAR 影像數(shù)據(jù)處理

CSK 系統(tǒng)是意大利航天局與意大利國(guó)防部共同研發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在軌正常運(yùn)行，該系統(tǒng)中每個(gè)衛(wèi)星均裝配了多模式的高分辨率雷達(dá)，該雷達(dá)的X 波段為3.1cm，且配置了強(qiáng)力的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，具有全球覆蓋能力，可滿足不同地區(qū)日夜信息處理要求，尤其是在數(shù)據(jù)精度與分辨率上具有顯著優(yōu)勢(shì)。衛(wèi)星成像的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 衛(wèi)星成像的關(guān)鍵參數(shù)

2.3 數(shù)據(jù)處理方案

2.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

結(jié)合本次城市軌道交通項(xiàng)目的實(shí)際情況來(lái)看，由于所研究區(qū)域非整景圖像，因此數(shù)據(jù)處理難度較高，在預(yù)處理階段先用“Selections”工具裁剪圖像。本次研究中所使用的行政區(qū)域矢量均數(shù)均由當(dāng)?shù)匕l(fā)布的最新行政區(qū)劃圖經(jīng)矢量化與配準(zhǔn)化處理后獲得[4]；所記錄的地鐵線路數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照運(yùn)營(yíng)資料以及百度與高德在線地圖獲取，將上述資料上傳至ArcGIS 系統(tǒng)后自動(dòng)完成矢量化，即可獲得預(yù)處理數(shù)據(jù)。

2.3.2 數(shù)據(jù)整體處理

在經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后，將處理好的數(shù)據(jù)上傳至ENVI 中作進(jìn)一步處理。選擇在系統(tǒng)“設(shè)置”中加載“VHR”，將相關(guān)系數(shù)閾值下調(diào)至0.75，確定本次系統(tǒng)處理的運(yùn)行路徑后，即可通過系統(tǒng)提供的流程化操作工具“Stacking”處理。整個(gè)操作處理中不需要做其他特殊處理，維持默認(rèn)參數(shù)即可。

本次數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)先生成連接圖，向其中輸入“slc”影像后，即可按照默認(rèn)的系統(tǒng)閾值對(duì)圖像建立主從關(guān)系，完成配準(zhǔn)。之后按照相對(duì)連接關(guān)系對(duì)每一圖像做干涉處理，輸入“.sml”文件后，由Stacking 軟件反演一次，此時(shí)可獲得目標(biāo)區(qū)域的殘余地形資料以及形變速率等，一般殘余高度設(shè)置為“±70mm”，變形速率變化區(qū)間為“±30mm/yr”。之后選取任意一個(gè)圖像做第二次反演，在本次反演中需去除圖片中的大氣成分再估算殘余高度與速率等內(nèi)容。因此，在參數(shù)設(shè)置上，設(shè)定閾值系數(shù)為0.3，濾波窗口為365d，空間分布濾波窗口1200m。

最后則要針對(duì)圖像生成地理編碼，即將SAR 坐標(biāo)與圖像上的地圖坐標(biāo)相匹配，將雷達(dá)實(shí)現(xiàn)方向調(diào)整為垂直方向，并將“SARscape”結(jié)果更新為地理坐標(biāo)，由此可獲得形變速率與編碼結(jié)果。

2.4 數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

2.4.1 整體變形檢測(cè)結(jié)果分析

通過上文所介紹的方法，本文運(yùn)用InSAR 技術(shù)對(duì)案例城市軌道交通項(xiàng)目變形情況展開分析，獲取了從2019 年1 月—2022 年12 月PS 點(diǎn)的三維位置變化以及形變歷史等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過提取地鐵沿線200m 內(nèi)的PS 點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體的分析結(jié)果如表2 所示。

表2 案例城市軌道交通項(xiàng)目的具體情況統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表2 所記錄的相關(guān)信息可以發(fā)現(xiàn)，在所選的地鐵項(xiàng)目中均發(fā)現(xiàn)少量形變情況，這可能與季風(fēng)氣候影響、工業(yè)與生活用水量增加、高層與超高層建筑物的施工相關(guān)。受到上述自然與人為因素的影響，最終導(dǎo)致地鐵軌道沿線建筑物出現(xiàn)變形，這對(duì)于地鐵線路的平穩(wěn)運(yùn)行是不利的。

2.4.2 面狀特征分析

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)城市軌道交通變形問題，本文結(jié)合InSAR 技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果，隨機(jī)選取任意一段地鐵線路為研究對(duì)象。本文所選的地鐵線路共包括5 個(gè)地鐵站（包括一個(gè)換乘站），將結(jié)合上述5 個(gè)地鐵站的面狀特征展開研究。

眾所周知，城市軌道交通變形是一個(gè)長(zhǎng)期過程，隨著時(shí)間的推移，其軌道交通變形程度也會(huì)明顯增加，這也決定了整個(gè)變形過程用明顯的時(shí)間效應(yīng)與空間效應(yīng)，且地質(zhì)條件以及施工工藝的差異也會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)不同的變形規(guī)律[5]。本次研究中使用InSAR 技術(shù)觀測(cè)城市軌道交通線路的變形情況中，設(shè)定觀察周期為3 個(gè)月，以0 為界限開始統(tǒng)計(jì)變形情況，統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生變形（即InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)小于0）的點(diǎn)位并制作曲線，并根據(jù)時(shí)間變化評(píng)估其變形情況。

同時(shí)在InSAR 技術(shù)運(yùn)用過程中需注意的是，在某些非理想狀態(tài)下InSAR 技術(shù)所能提取的關(guān)鍵空間坐標(biāo)無(wú)法覆蓋所有區(qū)域，導(dǎo)致工作人員無(wú)法獲得感興趣的形變資料，因此，本文決定通過克里金插值法填補(bǔ)其中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，該算法的核心是利用有價(jià)值的分散點(diǎn)估計(jì)統(tǒng)計(jì)過程，利用相鄰點(diǎn)之間的共同作用消除其中的數(shù)據(jù)粗差性問題。

本次分析結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，從監(jiān)測(cè)開始之日開始，所有PS 值均為0，但在3 個(gè)月的監(jiān)測(cè)期結(jié)束后，所有PS 點(diǎn)位均發(fā)生變形，其累積變形集中在-0.42.3%～-0.24%；從數(shù)據(jù)上來(lái)看，變形量超過5mm 的占比為10.3%。其中地鐵沿線變形主要集中在觀測(cè)的前兩個(gè)月，隨著時(shí)間推移，觀測(cè)項(xiàng)目的變形量越來(lái)越小，但變形面積不斷增加。通過對(duì)變形量最大的某地鐵站展開實(shí)地勘察后，研究結(jié)果認(rèn)為造成變形的主要原因是地鐵施工，同時(shí)當(dāng)?shù)氐慕涤昱c地表建筑物施工也是造成上述現(xiàn)象的主要原因[6]。

根據(jù)面狀變形情況評(píng)估可知，表現(xiàn)為抬升的PS 數(shù)量占總數(shù)的42.68%，其余點(diǎn)位均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。通過上述結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，通過InSAR 技術(shù)可觀察任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)的累計(jì)變形量以及沉降變化情況，不僅可觀察任意點(diǎn)位的累計(jì)變形，也可記錄不同時(shí)間的具體變形量，可見該技術(shù)在城市軌道交通面狀變形監(jiān)測(cè)中具有可行性[7]。

2.4.3 線狀特征分析

根據(jù)InSAR 技術(shù)觀察結(jié)果統(tǒng)計(jì)交通線路兩側(cè)緩沖區(qū)的變形速率，通過做橫、縱面分析方法詳細(xì)判斷其變形情況。

（1）橫向剖面分析。結(jié)合InSAR 技術(shù)所反饋的結(jié)果可知，在橫向剖面評(píng)估中可發(fā)現(xiàn)所選部分軌道線路段可見明顯雙沉降槽情況，且兩個(gè)沉降槽基本沿著中心線位置對(duì)稱分布，二者與中心點(diǎn)之間的距離約為80～150mm。從變形速率來(lái)看，InSAR 技術(shù)檢測(cè)結(jié)果顯示兩個(gè)沉降槽的形變速率約為-3.4~-1.2mm/yr，其中左側(cè)槽的變形速率整體小于右側(cè)槽，而造成這一結(jié)果的原因可能是該位置地鐵施工影響范圍更大。

也有部分站點(diǎn)的橫向剖面觀察結(jié)果顯示，其沉降量變化呈“沉降槽”狀，沉降槽的兩側(cè)基本對(duì)稱，影響范圍約為100m，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是該區(qū)域的施工條件復(fù)雜，由此造成更明顯的變形問題。

（2）縱剖面分析。根據(jù)縱剖面觀察結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，從0 刻度開始，整個(gè)城市軌道交通線路的縱坡面可見多個(gè)變形槽，其沉降速率為-5.8~-2.5mm/yr，其平均變形速率約為-4.02mm/yr。

之后以原點(diǎn)為單位，選擇距離原點(diǎn)50m、100m 與150m 的長(zhǎng)度增設(shè)剖面線。此時(shí)InSAR 技術(shù)觀察發(fā)現(xiàn)，在距離原點(diǎn)50m 的范圍內(nèi)可見平均變形速率大于等于-3.0mm/yr 的形變槽；在距離原點(diǎn)100m 位置，其變形速率均值約為-2.64mm/yr；在距離原點(diǎn)150m 的距離中，無(wú)論其隆起值還是沉降值均小于等于-1.0mm/yr。根據(jù)上述觀察結(jié)果可認(rèn)為，在距離原點(diǎn)約150m 的范圍內(nèi)，城市軌道交通沿線基本保持著穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)上述分析結(jié)果，本文認(rèn)為在本次城市軌道交通項(xiàng)目中對(duì)地表的影響范圍為0~100mm，當(dāng)交通線路與周邊建筑物的距離達(dá)到150m 左右時(shí)，其影響力顯著下降。

2.4.4 點(diǎn)狀特征分析

在點(diǎn)狀特征分析中，選擇案例城市軌道交通項(xiàng)目沿線的7 棟建筑物為研究對(duì)象，InSAR 技術(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，大部分的PS 點(diǎn)位于地鐵展現(xiàn)建筑物上，且不同位置的形變歷史曲線存在明顯差異，其中有5 棟建筑物在短時(shí)間內(nèi)有明顯形變，但在后期形變不明顯；剩余兩棟建筑物雖然略有上升趨勢(shì)，但是變化不明顯。

通過選擇位置相近的兩座建筑物展開InSAR 技術(shù)監(jiān)測(cè)后，分別將其定義為建筑物①、建筑物②。檢測(cè)結(jié)果顯示，建筑物的年平均變形速率約為-3.4mm/yr，累積變形量達(dá)到了-19.81mm/yr；相比之下建筑物②的平均變形速率約為-4.7mm/yr，累積變形量為-32.6mm/yr。導(dǎo)致出現(xiàn)上述結(jié)果的原因可能如下：建筑物①位于盾構(gòu)區(qū)間，而建筑物②與開挖地鐵站更近，受到地鐵開挖等因素的影響，原本穩(wěn)定的土體發(fā)生改變，地鐵施工對(duì)周邊環(huán)境的影響顯著高于盾構(gòu)隧道，因此，建筑物②的變形量要顯著高于建筑物①。

3 結(jié)語(yǔ)

在城市軌道交通變形監(jiān)測(cè)中，InSAR 技術(shù)發(fā)揮著重要作用，根據(jù)案例項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，該項(xiàng)目利用InSAR 技術(shù)清晰評(píng)估了軌道交通項(xiàng)目的面狀、線狀以及點(diǎn)狀特征，其數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度高，證明該技術(shù)可以用于建筑物變形監(jiān)測(cè)，值得做進(jìn)一步推廣。