基于PS-InSAR技术的深圳市莲塘地铁站站后折返线地表形变监测研究

叶凯，侯建香，金典琦，杨珍

(1.深圳市城市公共安全技术研究院有限公司，广东 深圳 518048； 2.深圳市信息职业技术学院，广东 深圳 518172；3.国家测绘地理信息局第一航测遥感院，陕西 西安 710054)

1 引 言

城市地铁线路在设计、施工和运营的监测过程中具有距离长、跨度大等特点，传统水准测量技术与GPS技术等可应用于地铁线路及其沿线的沉降监测[1]，但因它们基于点观测特性的地面观测技术容易遗漏部分观测区域。雷达差分干涉技术(DInSAR)通过分析观测区域雷达回波相位信息反演地表形变，精度可达厘米级[2]，然后受时间去相干、几何去相干及大气效应的影响较重。鉴于此，国内外学者相继开展了基于永久散射体法[3，4]、小基线集法[5，6]的监测应用研究，实践证明它们在监测目标“面状”形变反演应用中是有效的，可以抑制相位失相关的影响，在监测点位密度、空间分辨率、监测频率上对传统监测方法形成了有效的补充，本文利用2015年1月～2018年5月的COSMO-SKyMed卫星影像数据(51景)，基于PS-InSAR技术，快速获取莲塘站站后折返线竖井开挖期间周边地表形变场，进一步掌握竖井施工期间对周边建构筑物的影响，并通过地面传统水准数据对此次InSAR监测精度进行评估。

2 PS-InSAR技术原理

Ferretti等人于2000年提出了一种新的地表形变监测方法[4]，该方法基于多幅时序SAR影像进行PS点探测，相位建模和形变解算，即选定公共主影像，从一系列时间序列图中选取稳定的参考点作为PS点(如岩石，堤坝，建筑物)，通过PS点集来计算相位信息，分离形变与大气延迟信息[7]，称之为“永久散射体雷达干涉技术”(Permanent Scatterer InSAR)，基本原理如下所示：

(1)

PS技术的点位选择尽量保持在一定距离里(1 km)，利用大气相关性特点，可以有效地消除大气相位误差影响，如下公式所示：

(2)

上式表示i，j两目标点的相位差，△vi，j表示相目标点间的线性形变速率，△i，j表示DEM误差，△wk表示大气延迟相位，噪声相位和非线性相位。

3 研究区背景及数据处理

3.1 研究区背景及数据选择

按照深圳市城市轨道交通第三期建设规划，深圳地铁2号线东延线三期工程作为联系莲塘与罗湖中心、福田中心以及南山中心的城市轨道干线，建设工期为2015年～2020年，全线为地下线路。其中莲塘站站后折返线设计里程范围为DK39+601.797～DK39+925，如图1所示，正线长为 307.2 m，隧道断面为单洞双线隧道，全部采用矿山法施工。莲塘竖井内部净尺寸为 11 m×8 m，竖井深度 44.553 m。该竖井围护结构采用钻孔灌注桩+高压旋喷桩止水帷幕的结构形式，内部采用六道钢筋混凝土环框梁支撑。为快速获取竖井开挖期间周边建构筑物的形变信息，本文基于2015年1月～2018年5月的高分辨率COSMO-SkyMed卫星影像数据，如表1所示，共51景降轨数据，极化方式均为HH，空间分辨率约 3 m，较为完整地反映了莲塘站站后折返线竖井周边地表形变情况。

图1 莲塘折返线数据处理范围(底图引自Google Earth 2016)

COSMO-SKyMed影响数据参数 表1

选取2016-10-12雷达影像(时空基线居中)作为主影像，其基本干涉情况如图2所示。

图2 SAR影像时空干涉基线图

3.2 数据处理

由于采用的数据属于Level0原始数据，需要转换成单视复数影像(SLC)，影像配准时基于轨道信息初始化偏移量，并根据影像灰度相干性进行粗配准，反复试验直至配准精度小于1/8个像元，之后进行平地相位去除(主要去除参考椭球面的影响)，然后采用Goldstein滤波对干涉图进行降噪处理(第一次滤波窗口128×128，滤波系数0.6，第二次滤波窗口64×64，滤波系数0.5)，从滤波前后干涉图处理效果来看，通过Goldstein滤波不仅保留较多的细节信息，而且滤波前存在的噪声和毛刺现象大大减少，滤波后干涉条纹边缘梯度保存比较完整。筛选永久散射点时需同时考虑雷达信号的高信噪比特性以及散射稳定性，此次数据处理参考点位于罗沙路仙台天桥(方位向821，距离向880)，强度值为 22 342，振幅离差为0.3。然后基于振幅信息(阈值为200)筛选出PS候选点(图3)，基于振幅离差(阈值为0.6)生成一级PS点，最终通过时间域上的高频特性与空间域上的低频特性进一步削弱大气误差影响，获取垂直向形变值。

图3 罗湖区深圳河沿岸Goldstein滤波前后干涉对比图

3.3 形变场提取以及精度验证

(1)竖井周边形变场提取及分析

最终基于PS-InSAR技术获取了莲塘站站后折返线竖井周边地表沉降速率图，基于ArcGIS统计分析功能将线性沉降速率每隔 2 mm/a进行颜色等级划分(图4)，依据累积沉降量绘制等值线图(图5)，同时依据线性沉降速率，利用克里金插值方法进行栅格化，过折返线竖井位置绘制两条纵剖面线(图6)。

图4 莲塘地铁站站后折返线周边年沉降速率统计图

图5 站后折返线周边沉降量等值线图

图6 站后折返线周边线性速率插值图

研究区共发现26 321个PS点，有22 592个PS点年平均沉降速率值集中在 ±2 mm/a之间，占总体监测点位的85.83%，整体来看地表变化相对稳定，累积沉降量大于 20 mm的点位有356个，主要集中在折返线竖井周边，范围约 0.08 km2，由图7、图8可知，竖井位置周边沉降速率相对较大，超过 12 mm/a。根据InSAR监测结果，自2016年12月开始，折返线周边地表累积沉降量逐渐增加，截至2018年3月，沉降逐渐收敛，趋于稳定，期间最大线性沉降速率约 15.2 mm/a。根据现场调查结果显示，沉降范围内的居民区、道路、沿线挡墙等均出现不均匀沉降现象，部分墙及路面开裂部位已采取加固措施，地表裂缝已进行了灌浆封堵处理。

图7 站后折返线竖井剖面线(N-S向)

图8 站后折返线竖井剖面线(W-E向)

(2)精度评定

根据第三方监测公司提供的一级水准监测信息(Trimble Dini03)和地下水位监测信息，按照“最邻近点法”进一步验证InSAR监测结果的可靠性，经统计，在InSAR监测点两个像元距离以内，共发现7个地表监测点，21个房屋建筑监测点，根据中误差精度指标评定公式(式3)，中误差(m0)为 7.68 mm，两种监测结果具有较好的一致性：

(3)

式中：N——样本数；dLi和dIi——分别为样本点i对应的水准观测量和InSAR的观测值。

详细情况如表2所示：

InSAR监测和水准监测结果比较 表2

水准测量与InSAR监测累积沉降量结果对比如图9所示，JC-16点水准测量与InSAR监测结果时序对比如图10所示，折返线竖井周边地下水位监测变化如图11所示，从图中可看出，PS-InSAR、地下水位以及水准监测三者表现的形变趋势是一致的，均从2017年1月沉降开始加速，后期形变趋于稳定，进一步表明了InSAR监测结果的可靠性，能够客观地反映建构筑物在竖井开挖期间的时序形变特征。

图9 累积沉降量结果对比(水准测量与InSAR监测)

图10 JC-16点时序结果对比(水准测量与InSAR监测)

图11 站后折返线地下水位监测变化(sw1、sw2、sw3、sw4)

4 结 论

本文采用PS-InSAR技术，利用2015年1月～2018年5月的高分辨率COSMO-SKyMed卫星影像数据成功获取了莲塘地铁站站后折返线竖井周边“漏斗”式地表形变场，范围约 0.08 km2。根据InSAR监测结果可知，监测期间内最大累积沉降量超过 30 mm，自2017年1月以来沉降加速，截至2018年4月，沉降逐渐收敛，可能是由于地下水位下降，导致地表以及上盖建筑出现不均匀沉降现象。另外，PS-InSAR技术在城市轨道交通、房屋建筑的形变监测、安全预警方面具有一定的可行性，能够客观反映监测目标的时序形变特征，揭示地表形变发生、发展的机理，精度可以达到毫米级，能够为城市公共交通的规划和安全建设提供决策支持。