应用时间序列InSAR技术监测上海磁悬浮列车专线形变

蒋亚楠，杨梦诗，廖明生，王寒梅

（1. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 430079；2. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；3. 上海市地质调查研究院，上海 200072）

应用时间序列InSAR技术监测上海磁悬浮列车专线形变

蒋亚楠1，杨梦诗1，廖明生1，王寒梅2,3

（1. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 430079；
2. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；3. 上海市地质调查研究院，上海 200072）

新一代高分辨率、短重访周期SAR卫星的发射运行，使得InSAR技术不仅能满足大范围地表沉降监测的数据需求，还可以监测到大型人工线状地物的形变，使得对短周期微小形变的监测和预警成为可能。本文以上海市在运营的磁悬浮列车专线为研究对象，利用时间序列分析方法对2011年9月～2012年10月期间的15景TerraSAR-X数据进行了处理和分析，实验结果表明高分辨率SAR数据可以用于公共交通设施微小形变的监测，在公共安全领域具有广阔的应用前景。

磁悬浮列车专线；形变监测；高分辨率SAR影像；时间序列分析技术

上海是受地面沉降影响最大的城市之一。地面沉降是城市地区的主要地质灾害，具有不可逆和累加的特点，其影响范围和发展速度在不同空间、时间上具有较大的差异性[1]。地面沉降的空间差异会造成地表以上人工地物的不均匀沉降，直接影响到大型单体建筑物、城市轨道交通、磁浮列车等大型线状工程的运营安全。因此，在上海市开展定期的形变监测对确保重大工程和基础设施建设安全具有重要意义。

1961年以来，上海市逐步兴建地面沉降监测网络。迄今为止，上海地面沉降监测网络已基本建成，主要由地面沉降水准监测网、GPS地面沉降监测网、沉降监测站以及水位动态监测网几部分组成[2]。然而，这些测量手段受限于人力、物力的投入太大，使得形变监测点的密度很低，难以满足交通路网这种长达数十至上百千米的大型线状地物的监测要求。

相对于常规的形变监测手段，雷达差分干涉测量（D-InSAR）具有监测范围大、空间分辨率高、重复周期稳定等优势，且其观测精度理论上可达到厘米级[3]。意大利米兰理工大学的学者A. Ferretti, C. Prati和F. Rocca等人提出了永久散射体技术（PS-InSAR）[4,5]，克服了传统D-InSAR技术实施过程中的时间、空间去相关和大气效应等问题。该技术的研究目标集中在长时间序列中保持高相干的点目标上[6,7]，并且其理论观测精度可达到毫米级。近年来，利用PS-InSAR方法监测地面沉降已取得了丰富的研究成果，在上海、天津、广州等地得到与实测沉降趋势相符的结果，达到了获得毫米级地表形变信息的能力，从而证实了该方法的应用潜力[6～8]。

随着新一代高分辨率雷达卫星的出现，PS-InSAR技术监测地表形变的优势更突出。以TerraSAR-X卫星为例，其优势主要体现在以下三个方面：（1）分辨率的显著提高，使得落到单体建筑或者交通网络上的PS点数量大大增加，很大程度上提高了大型人工地物形变监测可能性和准确性；（2）重访周期的大大缩短，不仅使得短期形变的监测成为可能，而且可以给出更为细致的形变变化规律，更能反应出短期内建筑物或者线状地物的运营状况；（3）X波段进行影像数据获取，其形变监测精度C波段和L波段更高，对发现短期内的地表微小形变更为有效。因此，高分辨率SAR卫星不仅能满足大范围地表沉降监测的数据需求，还可以检测到主要交通网络上的形变，使得对短周期微小形变的监测成为可能。

城市公共交通网络，包括地铁、公路、铁路、磁悬浮列车等，是城市大容量、大众化公共客运交通的主要力量，对城市的发展和城市建设起着积极的促进和引导作用。然而，由于公共交通运输乘客人员密度较大、流量多，一旦发生事故，后果不堪设想。近些年来，公共交通运输的灾害问题也愈来愈引起人们的重视。安全运营是城市交通系统的生命线，加强城市公共交通网络的形变监测研究，对保障城市交通运输安全运营以及乘客人身安全至关重要。

本文以上海市磁悬浮列车专线为例，采用高分辨率TerraSAR-X数据进行永久散射体技术（PS-InSAR）研究，目的是为了提取磁悬浮轨道的形变速率，进而验证TerraSAR-X高分辨率数据在永久散射体沉降监测应用中存在的优点及不足，并针对这些问题进行探讨。

1 原理与方法

PS-InSAR技术本质上是一种时间序列D-InSAR分析技术。首先，利用多景覆盖同一地区的SAR影像集，统计分析影像中相位和幅度信息，查找不受时间、空间基线去相关和大气相位屏影响的点目标作为PS点，如人工建筑、裸露的岩石、人工布设的角反射等。这些点目标几何尺寸通常小于影像分辨单元，而且散射特性比较稳定，在长时间序列中表现出很好的相干性。利用这些离散的PS点，可以获得可靠的相位信息，进而反演出亚米级精度的DEM 和进行毫米级地表形变探测。

该技术处理主要包括四个部分：时序差分干涉图的生成、PS点的探测、PS提取和形变速率估算，并在此基础上对形变结果进行时间序列分析。

1.1 时序差分干涉图的生成

依据总体相干性指标最大的原则，选择15景TerraSAR 数据集中的一景数据作为主影像，并与其它SAR影像进行干涉处理，得到干涉图集。然后利用外部辅助的DEM 去除地形相位的贡献，得到时间序列上的差分干涉图集。

1.2 PS点的探测

为了进行永久散射体干涉处理，首先要在长时间序列SAR 图像上识别出相位稳定的散射点。上海磁悬浮高架轨道采用钢质和混凝土等硬质结构，可以在长时间序列上的SAR影像上中保持较高的相干性。本文利用SAR影像的振幅离差指数来确定永久散射体候选点（PSC），用幅度的稳定性近似表达相位的稳定性。

1.3 PS提取

计算时间相干系数并结合统计分析，从PSC中迭代筛选出点目标，剔除只在部分干涉图中保持稳定的点目标以及临近PS点的旁瓣点目标。

1.4 形变量估算

确定PS点后，紧接着对相位进行三维时空解缠，解缠后的相位通过最小二乘法估计出地形误差相位，利用滤波去除出大气相位，最终分离出形变相位。继而恢复出形变相位，求解地表形变速率。得到形变速率估计值沿雷达视线方向，将其沿垂直于地面的方向进行投影，即得到垂直于地面方向的速率分量——地面沉降速率。

高分辨率雷达卫星的出现，使得大型公共交通设施在影像上清晰可见，为利用PS-InSAR技术检测主要交通路线的形变提供了必要条件。本文旨在将高分辨率的TerraSAR-X数据用于磁悬浮列车轨道形变速率的提取，并在此基础上利用时间序列分析方法对结果进行分析和讨论。

2 实验及结果分析

2.1 研究区域及实验数据

上海磁悬浮工程是世界上正式投入商业运营的运行速度最快的专线列车。该线路西起上海地铁2号线的龙阳路站，东至上海浦东国际机场，全长约30 km，采用高架形式[9]（图1）。与轮轨高速列车相比，磁悬浮列车运行速度更快速、更平稳[10]。

本文实验数据为15景条带模式的TerraSAR-X卫星数据（表1），分辨率为3m，时间跨度为2011年9月到2012 年10月，覆盖范围如图2所示。利用总体相干性最大指标，选择2011年12月2日的影像为主影像，其他图像与其进行干涉处理，干涉的时间和空间基线如图3所示。外部辅助DEM选取SRTM (Shuttle Radar Topography Mission)的3弧秒分辨率的DEM，用于地表形变检测方法的地形相位去除。

图1 上海磁悬浮列车运营实景Fig.1 The actual of Shanghai maglev train

表1 SAR数据集Table 1 The experimental SAR dataset

图2 TerraSAR-X卫星数据空间覆盖范围Fig.2 The coverage of the TerraSAR-X image

图3 主从影像的时空基线分布Fig.3 Time and space baselines of the interferogram

2.2 磁悬浮列车专线形变监测结果

由于卫星数据分辨率的提高，保证了沿磁悬浮列车专线有大量稳定点目标用于形变的提取与分析。如图4所示，整条线路的年形变速率分布在-10～8mm/a之间，形变呈现出明显的不均匀性。整体上，靠近浦东机场路段变形明显，并在图中椭圆所标注的区域形变量达到最大；之后往西段延伸，下沉趋势减弱，抬升趋势出现。

图4 磁悬浮专线形变提取结果Fig.4 The deformation of the maglev train (mm/year)

在此基础上，选取一相干性为0.9172的点目标进行时间序列分析。

由于TerraSAR-X卫星的重访周期为11天，相比于Envisat ASAR卫星（35天）和ALOS PALSAR卫星（46天）分别缩短了24天和35天。因此，在半年到一年内便可以收集到足够的TerraSAR-X卫星影像用于形变监测与分析。另一方面，TerraSAR-X卫星影像获取周期的缩短，保证了形变监测采样间隔的缩小，因此得到的变化趋势更为细致（图5）。

图5 形变的时间序列分析Fig.5 Time series analysis of selected PS point

本文所使用数据时间跨度约为一年。如图5所示，随着时间的推移，该点形变由小幅度震荡缓慢到达第一个最大抬升处，随后又一小幅度的变化，这一阶段为相对稳定状态，沉降量不超过2mm。接着以较大的幅度开始震荡，并迅速下沉至最大值沉降处，这一阶段属于加速下沉阶段，相对沉降超过5mm。最后以较大程度的反弹，步入新的震荡下沉阶段，此时沉降量已超过5mm。

根据以上实验结果可知，空间差异性形变是磁悬浮专线形变的一大特点。对于大型线状地物而言，空间差异较大的形变，会对线状工程安全运营产生重要影响。另一方面，沿线形变模式或者形变量发生较大变化的区域，如上升区域与下沉区域分界处、稳定区域与形变区域分界处，是灾害隐患发生可能性最大的区域。因此，定期的形变监测对确保这些人工地物的安全使用具有重大意义，尤其是对形变速率变化较大以及形变速率较大的区域，需要进行重点监测。

3 结语

PS-InSAR技术是检测地表形变的有效方法之一。本文利用3 m分辨率的TerraSAR-X数据完成了2011年9月至2012年10月期间上海磁悬浮列车专线的形变信息提取工作。本文的研究表明，由于新一代星载SAR系统具有高分辨率、短重访周期的优点，在经过时间序列InSAR技术处理和分析后，可以为地表形变监测提供更多的形变细节，使得短周期微小形变监测成为可能，适用于重大工程的短期快速形变监测，并在公共设施安全领域具有广阔的应用发展前景。

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Deformation monitoring of the Shanghai Maglev system based on the time-series analysis of InSAR data

JIANG Ya-Nan1, YANG Meng-Shi1, LIAO Ming-Sheng1, WANG Han-Mei2,3
(1. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention, Ministry of Land and Resources of China, Shanghai 200072, China; 3. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China)

The recently available high-resolution, short revisit-cycle, radar satellite data can not only be used to monitor land subsidence over large areas, but also to provide information regarding the deformation of large buildings and the transportation network; it has also made short-term small-scale deformation monitoring possible. In this paper, time-series analysis of InSAR data is carried out to detect deformation of the Shanghai Maglev track. The dataset of 15 TerraSAR-X images was acquired between September 2011 and October 2012. Experimental results show that high-resolution SAR data may be suitable for operational monitoring of deformation affecting public infrastructure.

maglev train; deformation monitoring; time series analysis; high-resolution SAR images

P236; P642.26

A

2095-1329(2013)04-0017-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2013.04.005

2013-10-31

2013-11-20

蒋亚楠(1988-),女,博士生,主要从事时间序列InSAR技术提取和分析地表形变场研究.

电子邮箱：yananjiang@whu.edu.cn

联系电话：027-68778070

高等学校博士学科点专项科研基金(博导类) (20110141110057)