高分辨率永久散射體雷達(dá)干涉及其應(yīng)用高速鐵路沉降監(jiān)測(cè).pdf

1、高速鐵路由于具有運(yùn)行速度極快的特點(diǎn)，對(duì)沿線地理環(huán)境和地質(zhì)條件提出了很高的要求，特別是路基和橋梁的穩(wěn)定性尤為重要。然而，受自然或人為因素(如地下水過量開采)的影響，鐵路沿線和周邊會(huì)產(chǎn)生地表沉降；列車的高速運(yùn)行及其震動(dòng)會(huì)對(duì)路基和橋梁產(chǎn)生壓力，這樣會(huì)引起路基、橋梁等構(gòu)筑物的變形(尤其是沉降)。這些內(nèi)外因素導(dǎo)致的沉降將直接影響高速列車的安全運(yùn)行，因此對(duì)高鐵沿線及周邊沉降進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)成為高鐵運(yùn)營維護(hù)的重要工作內(nèi)容之一。但是，由于我國高速鐵路跨度大

2、，往往穿越不同的地質(zhì)環(huán)境，其沿線的沉降十分復(fù)雜，急需一種監(jiān)測(cè)范圍廣、分辨率高、效率高且成本低的沉降監(jiān)測(cè)新思路。
　　 差分雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)技術(shù)以其測(cè)量范圍廣、空間分辨率高、可持續(xù)監(jiān)測(cè)且監(jiān)測(cè)效率高等優(yōu)點(diǎn)已成為近年來廣為使用的沉降測(cè)量手段，能為沉降現(xiàn)象的評(píng)估及相關(guān)控制措施的制定提供比傳統(tǒng)土工測(cè)量及慣用大地測(cè)量(如水準(zhǔn)和GPS)等沉降監(jiān)測(cè)方法更為有效的參考數(shù)據(jù)。然而，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中常常受到兩個(gè)因素的制約，即相位失相關(guān)

3、和大氣延遲的負(fù)面影響，這使得InSAR的推廣應(yīng)用面臨極大的挑戰(zhàn)。為克服InSAR技術(shù)在地表形變監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的局限性，近幾年發(fā)展起來的基于永久散射體(persistent scatterer，PS)的時(shí)序差分雷達(dá)干涉(PSI)技術(shù)為間接克服相位失相關(guān)和大氣延遲的負(fù)面影響提供了可能，可達(dá)到提高區(qū)域地表形變監(jiān)測(cè)精度與可靠性的目的。
　　 然而，在常規(guī)PSI技術(shù)中，PS探測(cè)需要大量雷達(dá)影像資源，導(dǎo)致應(yīng)用成本較高，從而限制了其在工程方面的應(yīng)

4、用，尤其對(duì)于SAR影像資源較少的研究區(qū)域，該技術(shù)的推廣和應(yīng)用收到了很大的制約。同時(shí)，常規(guī)PSI中長基線干涉對(duì)的存在會(huì)在后續(xù)的干涉相位分析中引入影像畸變誤差，且會(huì)導(dǎo)致很多PS目標(biāo)不能被識(shí)別。再者，在進(jìn)行兩軌差分干涉處理時(shí)，目前很難獲取和SAR影像(尤其是高分辨率SAR影像，如TerraSAR-X)分辨率相當(dāng)?shù)耐獠繑?shù)字高程模型(DEM)，可能導(dǎo)致處理過程中較大地形誤差的引入，從而降低最終形變結(jié)果的精度。此外，高速鐵路往往經(jīng)過植被覆蓋區(qū)域或農(nóng)

5、田區(qū)域等在干涉雷達(dá)中表現(xiàn)為失相干的區(qū)域，常規(guī)的PS探測(cè)方法在這些區(qū)域很難獲得有效的且數(shù)量足夠的天然PS，致使這些區(qū)域的沉降監(jiān)測(cè)無法執(zhí)行。
　　 為解決上述問題，本論文在深入分析InSAR形變監(jiān)測(cè)理論與方法的基礎(chǔ)上，提出了超短基線PSI的概念、原理及數(shù)據(jù)處理策略，主要包括基于干涉幾何與地形關(guān)系的超短基線干涉對(duì)選擇、使用相干點(diǎn)識(shí)別法進(jìn)行PS探測(cè)、PS時(shí)序網(wǎng)絡(luò)建模及形變解算、基于方差分量估計(jì)的形變結(jié)果精度評(píng)定等步驟；并使用該技術(shù)對(duì)高速

6、鐵路本身及其周邊的地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。
　　 通過在PSI方法中引入超短基線干涉的概念及思路，一方面可降低長基線干涉對(duì)由于側(cè)視角差異所導(dǎo)致的干涉像對(duì)幾何畸變，從而減輕這種畸變所導(dǎo)致的干涉相位誤差對(duì)后續(xù)相位建模和參數(shù)估計(jì)的影響，并且可有效提高可探測(cè)PS目標(biāo)的數(shù)量。應(yīng)用相干點(diǎn)識(shí)別法進(jìn)行PS探測(cè)，是為了降低PS探測(cè)所需的SAR影像數(shù)量，從而使PSI形變監(jiān)測(cè)的成本大大降低。值得指出的是，超短基線PSI算法僅對(duì)空間(垂直)基線小于設(shè)定

7、閾值的有效干涉對(duì)進(jìn)行PS探測(cè)、構(gòu)網(wǎng)、建模與形變解算，由于超短基線干涉圖對(duì)地形影響不敏感，因此差分干涉相位計(jì)算中無需引入外部DEM，簡(jiǎn)化了PS建模方法，減少了參數(shù)解算的個(gè)數(shù)，并避免了低分辨率DEM在高分辨PSI中可能引入較大誤差的可能。為驗(yàn)證本文方法的有效性與可靠性，以及能否達(dá)到上述預(yù)期效果，我們分別選取天津市及上海市作為測(cè)試區(qū)進(jìn)行干涉對(duì)選取、PS探測(cè)、形變解算及精度評(píng)定實(shí)驗(yàn)。
　　 對(duì)天津市使用2009年4月29日至2010年1

8、1月11日由德國衛(wèi)星TerraSAR-X所獲取23幅X波段高時(shí)空分辨率SAR影像進(jìn)行地表形變分析(覆蓋京滬高鐵局部路段)，并將超短基線PSI結(jié)果同基于長基線干涉圖求解的結(jié)果和地面水準(zhǔn)數(shù)據(jù)(7個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)及5個(gè)人工角反射器點(diǎn))進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，使用超短基線組合方法獲得的12個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)的沉降速率和沉降量的精度分別為2.0 mm/yr和2.6 mm。另外，使用該方法對(duì)上海市虹橋開發(fā)區(qū)進(jìn)行地表形變分析(使用2008年8月20日至2

9、010年1月30日由德國衛(wèi)星TerraSAR-X沿降軌獲取的10幅X波段高時(shí)空分辨率SAR影像)，并采用方差分量估計(jì)的方法進(jìn)行精度評(píng)定與改善。結(jié)果表明，使用驗(yàn)前方差及估計(jì)方差兩種方法計(jì)算得到的PS沉降速率中，最小值相差-8.88 mm/yr，最大值相差0.79mm/yr。其中，使用方差分量估計(jì)方法在形變速率結(jié)果的精度上提高了2.45 mm。這表明相較于單純的二次范數(shù)參數(shù)估計(jì)方法來說，該方法的可靠性和精度更高。
　　 以上實(shí)驗(yàn)分析