基于InSAR技术监测湿陷性黄土区公路路面沉降研究

乔衡 甘肃恒石公路检测科技有限公司

1 前言

随着国民经济的发展，我国公路建设得到了快速发展，并且公路等级也在不断提高。甘肃省黄土分布面积约12万平方公里。庆阳、平凉、天水、定西、白银、兰州、临夏、武威等属于湿陷性黄土地区，连霍高速G30、武金高速G3017、乌玛高速G1816等公路均途径湿陷性黄土地段。工程建设中常见的黄土病害有桥隧构造物沉陷、路基沉陷、路面开裂等诸多病害，给公路的行车安全带来威胁，如图1所示。

图1 高速公路开裂情况图

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术可以应用于高速公路灾害的早期识别，可以提前确定路网中严重沉降路段，并采取相应措施，减少公路灾害造成损失[1]。王利娟等[2]人利用In⁃SAR技术对定南县岭北离子型稀土矿区S1A DEM的精度进行定性和定量分析。范鹏等[3]人使用Terra SAR-XST模式高分辨率SAR数据，利用温度热膨胀形变模型的时序InSAR方法对青藏高原北麓河地区的输电线路杆塔进行形变监测。张剑等[4]人采用PS-InSAR对兰州市中心城区轨道交通线和铁路线周边100m区域做了沉降影响分析。利用InSAR技术进行湿陷性黄土区公路路面形变监测主要解决InSAR干涉滤波算法问题，提高精度。识别甘肃省区域高速公路路面形变的准确位置及形变量。

2 InSAR干涉滤波算法问题

前期发现针对InSAR测量最终结果影响较大的是干涉滤波，如果滤波不好，导致精度存在很大的误差，针对InSAR干涉滤波方法，因为干涉图条纹区和跳变点存在大量残差，是影响后续相位解缠和地形反演精度的关键问题。目前InSAR图具有的特征：①周期重复性，除跳变点外，干涉图之间重复出现。②干涉图中跳变点在-π~π之间跳变。这就是InSAR图的一些特征，提高测量精度就要处理这些跳变点。

目前InSAR滤波方法有中值、均值这些空间域的滤波方法，还有圆周期中值滤波方法，还有频率域的滤波方法。这些滤波方法能够滤除大气噪声、地形环境的影响，但是针对复杂环境下的一些滤波较差。

自研了“优势融合算法”就是将空间域与变换域进行融合，能够提高测量的精度。结合空间域和变换域各自的优势，在少损失细节信息的前提下，尽可能地平滑干涉条纹。利用干涉的升维，将多种滤波结果融合，来保留优势，在进行一个降维处理，也就是对融合结果进行降维处理。做了一些干涉滤波方法之后，要对结果进行一些评价，利用数学分形学的方法将dem进行数据采样，模拟含噪和无噪干涉相位。这样的话进而验证滤波方法的精度问题，利用数学形态学方法，做了一个不受任何地形因素限制的模拟相位过程。

模拟方法是多分形技术模拟方法，首先是模拟出无噪声原始干涉图，再加入噪声矩阵形成加噪声的干涉相位图。模拟原始干涉图的方法是先模拟DEM，然后进行编码，相位缠绕，就形成了无噪声的真实干涉相位图。利用优势融合算法对复杂地形模拟验证参数见表1，结果如图2所示。

图2 基于复杂环境地形模拟干涉图

表1 复杂环境地形模拟参数

3 甘肃省湿陷性黄土区公路路面沉降监测

甘肃省S14陇渭高速公路，从欧空局(European Space Agency,ESA)获取2019年1月-2019年12月30幅C波段Sen⁃tinel-1A IW模式升轨影像。通过对陇渭高速公路路线的高程分析发现，全线公路高程变化呈增大趋势，局部出现波动变化，在0km~4km高程逐渐增大，4km~5km高程突然减少。基于SBAS-InSAR技术，利用30幅C波段Sentinel-1A影像获取2019年1月—2019年12月公路形变监测结果。结果表明，陇渭高速公路全线覆盖区域形变范围分布广泛，县城、城镇形变较为明显，山区部分形变较为平缓，LOS向形变累积量可达103mm/a。陇渭高速公路InSAR监测结果如图3所示。

图3 陇渭高速公路InSAR监测结果

从陇渭高速公路全线沉降速率剖面线变化图看出，在0km~11km里程之间，公路沉降速率变化平稳；12km~15km里程之间，公路沉降速率逐渐增大，15km处沉降速率约为18mm/a；15km~38km之间，公路随着里程数增加，沉降速率整体趋势呈增大，38km处为公路全线沉降速率最大约为22mm/a。陇渭高速公路全线沉降速率剖面线变化如图4所示。

图4 陇渭高速公路全线沉降速率剖面线变化

4 结束语

通过InSAR技术，能够显著提高高速公路形变监测精度，改变传统封闭交通监测的技术手段，降低人工调查成本与预埋传感器成本。InSAR（TS-InSAR）技术能够为后期公路养护提供正确的形变监测数据，能够为湿陷性黄土地区公路建设提供技术支撑，从而降低工程后期养护维修成本。基于改进的InSAR技术能够较高精度监测高速公路沉降发生的位置和规律以及公路病害位置，建立重点地区地面沉降监测网络，可及时、准确地获取沉降信息。