GNSS与InSAR技术在公路边坡监测领域的融合应用

安博、李本伟

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都 610041）

0 引言

近年来，山区公路建设快速发展，四川省陆续在凉山彝族自治州、阿坝藏族羌族自治州、甘孜藏族自治州建设了雅西、汶马、雅康等高速公路，还有乐西、新康、久马、九绵等高速在建。新建改建各级公路达7.59 万公里，有效支撑少数民族聚居区地方经济社会发展。

三州地区多位于山岭重丘区，公路沿线地质及气候条件复杂、脆弱，且受人类活动等各种因素影响，沿线滑坡等地质灾害频发，每年均导致多起路网损毁事件，安全问题十分突出。斜坡变形或滑移往往使坐落其上或邻近的路基路面及桥隧结构发生开裂、损坏、甚至垮塌，进而导致人员伤亡、交通中断，经济损失较大，且维修加固工程还面临次生灾害风险。因此，对威胁道路运营安全的重点斜坡变形体进行高效、连续、实时监测，以评估道路运营安全并提供及时预警具有重要意义。传统的变形探测手段包括地质调查配合全站仪、雨量计及张力计、测斜仪、应变仪和压力计等监测传感器。工作效率低下、监测区域小，易受干扰，难以实现长期实时连续监测，一般仅适用于已发生显著变形的重点边坡。

全球导航卫星系统（GNSS）和合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术可以一定程度上克服传统手段的不足，是目前最有潜力的监测方法，也符合发展智慧交通的交通强国建设要求，近年在滑坡探测与监测方面取得了长足的发展和应用。

1 GNSS 与InSAR 原理及发展现状

1.1 GNSS

GNSS 全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）泛指所有全球的、区域的卫星导航系统：包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO 和中国的BDS，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等。

我国独立自主研发、建设、运营了BDS（北斗卫星导航系统），相比GPS，增加静止轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星。BDS 系统已于2020年已完成35 颗卫星发射组网，使中国摆脱了对GPS 系统的依赖。BDS系统可与GPS 及其他导航系统兼容，除提供全天候、全天时、高精度的定位、导航、单双向授时等常规服务外，还可提供独有的短报文通信服务。

GNSS 通过测量4 颗或4 颗以上已知卫星与接收设备之间的距离，通过一系列算法和计算模型剔除电离层、卫星钟差、接收机钟差等因素的影响，获得高精度星地距离，再通过GNSS 基线网平差获得目标变形数据。2020年全球已有超过100 颗导航卫星，GNSS接收设备一般均可以接收10 颗以上卫星的信号，水平监测精度可达3mm，垂直精度约5mm。

1.2 InSAR

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）是一种高分辨率成像雷达。合成孔径雷达干涉测量系统（Interferometric Synthetic Aperture Radar，In-SAR）通过观测地面上同一目标的两次SAR 雷达回波信号的相位差，根据杨氏双缝干涉实验原理，对两次雷达回波信号进行干涉处理，获取该目标的高程信息或形变信息的空间对地观测技术。

1978年美国发射了第一颗搭载SAR 传感器的卫星。20世纪90年代，随着欧洲、日本、加拿大等国家SAR 卫星发射数量增多后，InSAR 技术也日趋成熟。

我国InSAR 技术的研究起步较晚，国内中科院、武汉大学、中国地质调查局国土资源航空物探遥感中心等单位借助国外商业化SAR 数据，在地震监测、滑坡监测、地面沉降监测等领域进行了大量的InSAR 应用实验。我国将高分辨率对地观测系统重大专项（简称高分专项）确立为《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006—2020年）》十六个重大科技专项之一。于2013年发射了高分一号（GF-1 号）卫星在植被调查中发挥了重要作用，2016年8月发射的高分三号（GF-3 号）卫星，在分辨率、成像模式和工作模式等方面已进入国际领先行列，之后陆续又发射了四号、五号、六号、七号，我国在相关领域研究基本上已经处于国际先进水平。

目前全世界有在轨商业遥感卫星数量超过500颗。应用较为广泛的在轨雷达卫星包括中分辨率的免费雷达卫星Sentinel-1A/B，及高分辨率雷达卫星TerraSAR-X、Cosmo-Skey、ALOS-2 和RADARSAT-2 等。使用高分辨卫星数据再设置角反射器的情况下监测精度可达毫米级。随着技术进步，SAR 卫星的成像质量和时空分辨率越来越高，变形监测精度还会继续提高。

2 GNSS 与InSAR 技术比较

2.1 GNSS 优缺点

GNSS 技术在地表变形监测方面逐渐得到了广泛应用，它的特点是全天候、精度高、布网易、实时高效。

在滑坡体的变形监测中，监测点的位置通常是根据滑坡构造和受力情况而定，点位腾挪余地较小。当变形监测点设在陡崖下方、靠近建筑物密或密林深处的视场狭窄位置时，卫星信号易被遮挡，甚至部分时段没有信号，且更易受多路径效应影响，其监测精度和可靠性大受影响。且GNSS 监测点在在监测目标区域数量有限且离散，难以全面、准确地反映变形区域整体。

GNSS 监测需稳定供电，其数据传输通常依赖移动通讯网络，在气候恶劣的偏远区域，太阳能供电不稳定，需铺设专用供电线路，或配置大容量应急电源，并设置通讯基站，增加了监测成本和工作量。

2.2 InSAR 优缺点

InSAR 技术具有全天候、无接触、范围广、空间分辨率高等优点。一幅卫星图像就可以提供广大面积的地表形变数据，测量人员不进入监测区域就可以大面积探测地面的微小形变，这是其他任何监测方法所不能比拟的优势，尤其适合地震、重大滑坡等灾后调查。

滑坡时常发生在地形复杂与植被发育的野外环境中，而InSAR 技术受大梯度形变、对流层延迟、几何效应、地形效应、植被茂盛等多种因素的影响，在应用时其测量精度和质量会降低。为提高监测精度，需在预先测定好三维坐标的裸露点位设置角反射器，对雷达波形成强反射，作为雷达影像中的特征点，校正监测数据。

InSAR 系统对于坡向与卫星轨道方向相近的滑坡灵敏性较低。因此，在使用InSAR 进行滑坡精细探测和监测之前，首先要明确滑坡体可能的变形方向，选用适用的卫星影像。同时卫星都有固有运行周期，难以对变形进行实时监测。

2.3 技术比较

GNSS 可实时采集并传输监测数据，且精度更高，对于变形速度较快已处于发展阶段的滑坡可实现及时预警。但由于监测点数量有限，难以确定变形范围，更不可能获得布设测点之前的监测数据，在人员无法抵达布设测点或卫星信号易受遮挡的地方使用受限。

InSAR 通过对比卫星图像实现变形监测，监测范围大且属于面监测。适合滑动速度较低的滑坡或已发生滑坡的灾后调查。还可用于道路设计选址选线阶段区域普查，从而在设计时规避不稳定区域，也可用于对已建道路沿线不稳定边坡筛查。但对滑动速度较快甚至已经处于临滑状态的滑坡，则缓不济急。

GNSS 和InSAR 均几乎不受天气影响，在实际应用中，两种方法各有其优势及局限，如表1 所示。

表1 GNSS 与InSAR 技术比较

3 应用实例

雅西高速公路是四川攀枝花市和凉山彝族自治州连接省会成都的唯一大通道，2018年3月初，雅西高速瓦厂坪1 号大桥雅安侧伸缩缝拉开、西昌侧伸缩缝抵裂隆起、桥墩开裂倾斜，桥梁受损严重，濒临垮塌，导致交通中断。进一步调查发现瓦厂坪段山体发生变形，导致路基拉裂，边坡框架梁拉裂，如图1 所示。为尽快恢复通行，减少对沿线地区经济发展和人民群众生产生活造成的损失和不便。雅西高速所属养管公司对桥梁及边坡开展了应急抢险加固。鉴于现场山体陡峭，边坡和桥梁垮塌风险较高，养管公司为实时掌握山体变形情况和变形范围，给抢险施工提供安全预警，同时为设计提供参考数据，开展了GNSS监测和InSAR 监测工作。

图1 瓦厂坪现场及桥下病害照片

2.4 GNSS 监测

根据山体岩性、构造和受力及当前变形方向，卫星信号接收条件等因素，由地质人员及设备安装人员现场调查共在山体上布设了19 个GNSS 测点（其中1号点为基准点，设置在坡下稳定处），如图2 所示。

图2 瓦厂坪GNSS 测点布置图

将所有GNSS 监测点数据绘制等值线图，发现2018年4 到5月边坡变化速率较大，地表水平位移最大的部位集中在瓦厂坪1 号大桥上边坡，如图3 所示。沉降变形主要集中在瓦厂坪1桥下4～8 墩附近，6 号墩处最大，如图4 所示。2 个月累计水平位移和沉降最大均达到210mm，平均速率3.5mm/d，个别时间段个别点位水平位移或沉降速率超过6mm/d，监测人员根据监测预案进行了及时预警。

图3 地表水平和位移变化量等值线图

图4 地表竖直沉降变化量等值线图

根据GNSS 数据发现，山体沉降以6 号墩为中心，往两侧及上下边坡沉降均逐渐减弱，整体呈盆形沉降，与采空区变形特征接近。

2.5 InSAR 监测

为明确变形范围和变形发生时间，调取2017年底到2018年5月的日本ALOS-2（大地2 号）SAR 卫星低分辨率雷达影像，对比分析后发现瓦厂坪山体至少在2017年已经存在明显变形，远早于2018年3月初桥梁险情发生之时，而且瓦厂坪区域也呈盆形沉降，如图5左侧红色区域。而且在图6 中也可发现，A1～A6 是左侧红色区域选取的变形较大的点，6 个月最大变形约80mm，多数变形曲线在发现桥梁险情的3月有明显陡降。

图5 瓦厂坪ALOS-2 卫星InSAR 监测成果图

图6 InSAR 典型点位变形曲线图

2018年又使用欧洲的Sentinel-1 雷达遥感卫星低分辨率雷达影像，对瓦厂坪路段全长15km 左右500m范围路段进行了整体InSAR 时序地面形变监测与分析，2018年全年最大形变达到280mm，如图7 所示。同时期GNSS 测得全年变形约400mm。

图7 Sentinel-1（哨兵）SAR 雷达遥感卫星低分辨率雷达影像

值得说明的是，2 次InSAR 监测成果变形范围基本吻合，但累计形变量不完全吻合。这是因为两次监测卫星不同，轨道方向也不同，使用的数据为低分辨率低精度卫星影像，现场植被茂盛且未设置角反射器，无法对卫星与地面观测进行检校。

InSAR 监测数据小于GNSS 所测数据，但佐证了GNSS 对山体呈盆式沉降的变形特征，且明确了瓦厂坪山体变形范围及趋势，对雅西高速瓦厂坪段沿线边坡普查起到了重要作用。后期根据InSAR 监测结果对GNSS 布点位置进行了优化。

根据GNSS 和InSAR 监测反映的变形特征，雅西公司养管公司委托专业单位开展了采空区专项地质调查，发现沉降区域正下方400～500m 存在煤矿采空区。而InSAR 监测的山体变形范围也同采空区调查范围基本匹配。GNSS 和InSAR 监测成果为分析山体变形原因提供了重要依据。

3 结论

四川三州地区公路边坡灾害点多面广，且不少灾害源区地形地貌复杂陡峻，植被茂盛，仅靠传统的人工排查已很难提前发现和预警。本文通过分析和对比GNSS 和InSAR 在边坡变形监测方面的优缺点，并在雅西高速瓦厂坪1 号大桥抢险工程中融合应用GNSS 和InSAR 监测，得到如下结论与展望：

其一，GNSS 在监测瓦厂坪山体变形量和及时预警方面取得了良好效果，InSAR 在监测瓦厂坪山体变形范围及变形发生时间方面取得了良好效果，两种方法得出的变形特征和变形趋势一致,为明确变形原因提供了重要依据。

其二，GNSS 监测精度更高，实时采集数据，便于及时预警，InSAR 覆盖面积广大，且可以回溯险情发生之前的变形，两种方法各有优势。

其三，GNSS 和InSAR 进行融合，既能掌握山体短时变形速度；也能明确长时间变形趋势，了解边坡变形演变的全过程；既能对山体严重变形的局部进行监测；也能对整条路的边坡进行监测，同时两种监测结果互相佐证，优化GNSS 点位布置，优化卫星选择。

其四，随着GNSS、InSAR 以及物联网、云计算、云存储、AI、BIM 等技术高速发展，传统的手动、静态监测技术向自动、实时、非接触的新技术发展；单一监测手段向不同维度、不同尺度的多种技术手段集成和融合应用发展已成趋势，未来边坡监测和预警相关技术将会变得更加便捷、高效。