基于SBAS技术的宁波市轨道交通沿线地面沉降监测

温浩，胡在凰，胡玉坤

(宁波市测绘和遥感技术研究院，浙江 宁波 315042)

1 引 言

城市轨道交通，作为节能源、省空间、污染少、运量大、速度快、准时的交通大动脉能够明显缓解路面的交通拥堵[1]。截至2020年底，宁波轨道交通运营里程达 155 km[2]，根据《国家发展改革委关于宁波市城市轨道交通第三期建设规划(2021-2026年)的批复》，宁波市还将规划建设5条线路，总里程约 106.5 km，估算总投资875.9亿元[3]。轨道交通能带动城市发展并改善社会生活条件，但受自然或人为活动影响，地铁沿线和周边会发生地面沉降，损坏地铁路基和桥梁结构，引发地下管道破裂、城市内涝和坍塌等事故。因此，有必要对沿线目标进行动态监测，以便及时发现问题，为政府防灾减灾规划及经济可持续发展提供决策依据[4]。

随着国内外对地观测技术的不断发展，合成孔径雷达干涉测量技术(Interferometry Synthetic Aperture Rarar，InSAR)也在不断改进，并被运用于地面沉降监测领域，与传统的高水准测量及GPS技术相比，InSAR技术以其大面积同步测量、精度高和空间分辨率高等优势，成为地面沉降监测的有力补充手段[5]。

国内外学者将时间序列InSAR技术运用在轨道交通地面沉降监测中，并取得了良好的效果。文献[6]利用高分辨率InSAR时序分析技术研究了上海地铁10号线建设和运营期地面沉降的时空变化特征。文献[7]分别采用永久散射体干涉技术和相干目标技术分析了在大型人工线性地物形变监测中的应用能力和局限性。文献[8]利用覆盖上海地区的33景Cosmo-SkyMed影像和PS-InSAR技术对不同建设时期地铁线路的沉降趋势情况进行分析。文献[9]基于小基线(SBAS)技术开展广州市某段区域地铁沿线以及周边区域地面沉降监测。文献[10]利用26景TerraSAR-X影像对上海市的城市轨道交通网路进行了PS-InSAR沉降监测，结果显示，一些不同工期建成的轨道交通线路沿线的沉降程度与建成时期有一定关联，早期建成的线路经过长期的工后沉降及管理维护后整体沉降情况比较稳定，而后期建成的线路稳定性较差，沉降较明显。

综上所示，用于轨道交通地面沉降监测的InSAR技术主要包括PS-InSAR及SBAS两大类，其中PS-InSAR技术只能提取高相干点的相位变化，点位密度在建筑稀疏区域难以满足监测要求[11，12]，而SBAS技术同样克服了时空去相干及大气相位的限制，适用于大面积、长时间的地表形变的监测[13]。由于宁波市轨道交通运营里程较长，地表覆盖类型多样，为保证城区及郊区都有足够密度的高相干点，本文以2016年12月～2019年12月的Radarsat-2 XF模式影像为数据源，基于SBAS技术开展宁波市轨道交通沿线地面沉降及综合分析，为宁波市轨道交通安全运营提供数据保障和有力支持。

2 数据源与数据处理

2.1 数据源

本文收集了44景成像时间为2016年12月9日～2019年12月18日的Radarsat-2 XF模式降轨数据，数据获取周期约景/24天，像元大小分别为 2.66 m(距离向)和 3.03 m(方位向)，雷达波中心入射角为27.8°，覆盖宁波市已运营的轨道交通1号线、2号线、3号线、4号线，已运营的里程分别为 46.15 km、33.95 km、38.26 km、35.95 km，开通运营的时间分别为2014年、2015年、2019年，2020年。

2.2 数据处理

利用GAMMA软件对Radarsat-2数据集进行经典SBAS数据处理，首先根据影像集的时间分布特征，选择时间序列中间时刻(即成像时间为“20180614”)的影像为主影像，对SAR影像集进行配准与裁剪；设定时间基线阈值80天，空间基线阈值 300 m，生成96个干涉子集，对每个干涉像对进行前置滤波，计算干涉相位，生成差分干涉图；对经过滤波的主辅影像差分干涉相位像元，采用5×5大小的窗体逐像元计算相干系数，通过平均相干系数阈值法提取SBAS高相干点目标，并利用基于规则格网(mesh)的最小费用流(MCF)方法，对相干系数大于0.85的像元进行相位解缠，经检查解缠后的相位图幅度值连续、无跳变的存在；根据非线性形变相位、大气相位、噪声相位的特点，选择时间高通滤波、空间低通滤波对非线性形变进行分离[14]，叠加线性形变部分后即可得到各高相干点的时间序列形变信息；最后，利用雷达波入射角，将雷达视线方向的形变值转换为垂直向的沉降值。

2.3 定标与精度评价

在InSAR解算初步完成后，利用近几年宁波市地面沉降水准复测数据开展定标与精度评价。在覆盖4条已运营线路的矩形区域内共有保存良好、成果连续可用的高等级水准监测点83个，在2016年12月、2018年12月分别进行水准连测。由于InSAR与水准监测成果相差一年，本文分别计算重合时段(即2016年12月～2018年12月)两种测量手段获取的累积沉降量，按照差异平均值对InSAR监测数据进行定标。计算结果为：定标值为 5 mm/a，定标后两者的差值的最大值为 15 mm/a，最小值为 -14.5 mm/a，比对中误差m0=5.8 mm/a，对应的沉降误差分布图如图1所示，有81.5%的点沉降速率误差在 ±6 mm/a以内，所有点的沉降速率误差均在3倍中误差以内，这表明两种测量手段获取的监测成果相互吻合，InSAR技术用于轨道交通沿线地面沉降监测的精度较高，成果可靠性较好。

图1 83个水准点与InSAR的沉降速率误差分布图

3 结果分析

3.1 空间分布特征

宁波市轨道交通沿线地面沉降速率图如图2所示。以三江口为中心的宁波市中心城区地面沉降速率较小，经过该区域的4条线路沿线地面沉降相对稳定，平均沉降速率多在 5 mm/a以内，这表明近年来宁波市中心城区地面沉降综合整治取得了一定的成效；从总体上看，1号线、2号线沿线地面沉降相对稳定，3号线奉化区部分线路、4号线江北区部分线路沿线地面沉降比较明显，平均沉降速率多在 10 mm/a～20 mm/a。

图2 轨道交通沿线200 m高相干点目标地面沉降速率图

图2显示，轨道交通沿线地面沉降存在明显的空间差异性，同一行政区内不同线路的沉降特征也有差异。为分析轨道交通站点周边的沉降特征，直观了解其空间变化规律，本文以轨道交通线路里程为横坐标、沉降量为纵坐标，按照 200 m的间距取离散点，绘制4条已运营线路地面沉降纵向剖面线图如图3、图4所示。

图3 宁波市轨道交通1号线、2号线沿线地面沉降速率剖面图

图4 宁波市轨道交通3号线、4号线沿线地面沉降速率剖面图

综合图2～图4可知，各线路沿线主要的地面沉降区域包括：

(1)1号线世纪大道到宝幢站，沉降区内最大沉降速率为 13.8 mm/a，平均沉降速率为 9.6 mm/a，沉降集中分布在东部新城-五乡段；

(2)2号线孔浦站到宁波大学站，沉降区内最大的地面沉降速率为 12.5 mm/a，平均沉降速率为 8.7 mm/a，该区域跨度相对较短，在路林站附近沉降比较明显；

(3)3号线鄞州区政府站到金海路站，沉降区内最大的地面沉降速率为 17.1 mm/a，平均沉降速率为 9.7 mm/a，沉降区跨度较长，以奉化区部分线路的沉降最为显著；

(4)4号线慈城站至丽江路站、矮柳站到东钱湖站具有带状沉降现象发生，最大沉降速率分别为 18.4 mm/a、17.7 mm/a，平均沉降速率分布为 11.0 mm/a、10.0 mm/a，该区域沉降分成两段，影响范围广，沉降速率也比较大。

综上所述，在影像的监测周期内，处在运营期的1号线、2号线沿线地面沉降速率及影响范围，比处在施工期的3号线、4号线要大，这与秦晓琼[10]等的研究结果是一致的。

3.2 形变梯度分析

当轨道交通地表面沉降速率基本各处相同，则就整体而言对轨道运营安全性威胁不大，但当轨道贯穿于两种或多种变化的沉降速率区域时，便很可能造成危险[15]。因此，本文在沉降速率分析的基础上，引入形变梯度以分析区域的不均匀沉降，计算公式如下：

(1)

式中，gradi为i点形变梯度；Di为i点处的形变值；Di+1和Di-1分别为i后一点和前一点形变值；Si+1，i-1为i后一点和前一点之间的距离。提取形变梯度大于 0.1 mm/m的点，并绘制成图。

根据“DZ/T 0286-2015地质灾害危险性评估规范”，地面沉降速率大于 30 mm/a的为“强发育”，10 mm/a～30 mm/a之间的为“中等发育”，小于 10 mm/a的为“弱发育”，考虑到中等及以上发育的沉降危害较大，本文以累积沉降量数据为基础，对沉降比较明显的轨道交通3号线、4号线中沉降速率大于 10 mm/a的区域进行形变梯度分析。

如图5(a)所示，3号线大梯度形变点分布在大通桥、朝阳站、进琳站、金海路站附近，其中最大的形变梯度在金海路站附近，形变梯度为 0.24 mm/a；图5(b)中，4号线大梯度形变点分布在长兴路、洪大路、金达南路附近，其中形变梯度最大的点分布在金达南路站附近，形变梯度为 0.21 mm/a。

图5 轨道交通3号线、4号线形变梯度较大的点位空间位置

进一步分析可知，地面沉降速率图和形变梯度中吻合较好，但也存在着一定的差异：①沉降速率较大的区域(如3号线近琳站至金华路站、4号线矮柳至南高教园站)的形变梯度并不明显，表明该线路沉降情况相对一致，属于整体性沉降；②沉降速率较小的区域(如轨道交通3号线中兴大桥南站至儿童公园站)形变梯度变化也不大，表明该线路沉降情况相对稳定；③沉降速率较小的区域(如3号线大通桥站、朝阳路站)形变梯度变化较大，表明该区域存在不均匀的差异性形变。

4 结 论

本文以Radarsat-2 XF模式影像为数据源，采用SBAS技术开展宁波市轨道交通4条已运营线路沿线地面沉降监测，结合高精度水准数据进行定标与精度评价，在此基础上从沉降速率剖面图、形变梯度两个角度开展地面沉降综合分析。监测结果显示：以三江口为中心的宁波市老城区地面沉降速率较小，4条线路沿线地面沉降情况相对稳定；在三江口核心区以外，各线路沿线均有不同程度的沉降发生，最大沉降速率为 18.4 mm/a，位于4号线官山河站附近；通过对形变速率较大、沉降影响范围较广的3号线、4号线进行形变梯度分析可知，在一些形变速率较小的区域，出现了形变梯度较大的情况，表明该区域存在不均匀沉降，建议有关部门关注重点线路周边的不均匀沉降现象，结合InSAR和水准测量数据，强化安全防治，降低城市轨道交通建设及安全运营的风险。