秦曉瓊，楊夢詩，王寒梅，楊天亮，林金鑫，廖明生,2

1. 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079； 2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海 200072； 3. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072

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高分辨率PS-InSAR在軌道交通形變特征探測中的應(yīng)用

秦曉瓊1，楊夢詩1，王寒梅2,3，楊天亮2,3，林金鑫2,3，廖明生1,2

1. 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079； 2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測與防治重點實驗室，上海 200072； 3. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072

Foundationsupport：TheStateKeyProgramofNationalNaturalScienceofChina(No. 61331016);TheProvinceKeyProgramofNaturalScienceFoundationofHubei(No. 2014CFA047);MajorProjectofHigh-resolutionEarthObservationSystem(No. 06-Y30B04-9002-13115)

摘要：為了確保城市軌道交通的安全運營和可持續(xù)發(fā)展，將高分辨率PS-InSAR技術(shù)引入城市軌道交通的形變監(jiān)測領(lǐng)域。以上海為例，分析了城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)專題的形變特征。首先，利用26景TerraSAR-X影像在上海開展高分辨率PS-InSAR沉降精細測量，得到軌道交通網(wǎng)絡(luò)整體的沉降格局；然后，針對不同建成時期和建設(shè)形式的路段，分類探討其形變特性及原因；最后，進行測量結(jié)果的精度驗證。分析結(jié)果表明，快速的城市化發(fā)展建設(shè)已成為上海軌道交通沿線主要的沉降原因；不同建成時期和建設(shè)形式的路段表現(xiàn)出不同的形變特征，早期建設(shè)路段比晚期建設(shè)路段更穩(wěn)定，高架路段比地下路段沉降速率更??；PS-InSAR與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)保持很好的一致性。證實了高分辨率PS-InSAR技術(shù)在城市軌道交通形變監(jiān)測、管理維護和預(yù)警方面具有一定的可行性，可以為城市公共交通的規(guī)劃和建設(shè)提供決策支持。

關(guān)鍵詞：沉降監(jiān)測；PS-InSAR；軌道交通；高分辨率

城市軌道交通運量大、速度快，充分利用城市地下和地上空間，已成為各大城市迅猛發(fā)展的一種骨干公共交通系統(tǒng)。上海市軌道交通網(wǎng)絡(luò)自1995年第一條線路正式運營至今，全網(wǎng)運營線路總長度達548km，車站共計337座。然而，在上海地下管線復(fù)雜、地表構(gòu)筑物縱橫交錯的軟土地基環(huán)境中建造長距離的軌道交通線路，容易破壞工程地質(zhì)環(huán)境，造成嚴重的經(jīng)濟損失和不良社會影響[1]。由于過度開采地下水、地表建筑物和行車荷載增加等形成的區(qū)域沉降漏斗和沉降帶，容易產(chǎn)生嚴重的縱向不均勻變形，直接威脅上海市軌道交通的運營安全[2]。

城市軌道交通通常呈線性走向分布，在設(shè)計、施工和運營的監(jiān)測過程中具有距離長、跨度大等特點，而常規(guī)形變測量技術(shù)如水準(zhǔn)測量、全球定位系統(tǒng)等，主要依賴離散的監(jiān)測站點重復(fù)采集數(shù)據(jù)，難以精確確定沿線大跨度、近實時的形變趨勢。雷達差分干涉測量(D-InSAR)技術(shù)可以遠程監(jiān)測地球表面形變，監(jiān)測范圍大、空間分辨率高、重復(fù)周期穩(wěn)定，觀測精度可達厘米級[3-5]。針對D-InSAR時空失相干和大氣效應(yīng)等限制，文獻[6—8]提出的永久散射體技術(shù)(PS-InSAR)監(jiān)測精度可達毫米級，并在地面沉降監(jiān)測中取得了許多重要的研究成果，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。同時，高分辨率TerraSAR-X數(shù)據(jù)使得PS-InSAR技術(shù)可以持續(xù)監(jiān)測城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的形變細節(jié)，為區(qū)域軌道交通沿線的時空演變分析提供豐富的形變觀測資料[9-11]，有利于開展針對性的管理維護工作和有效的安全防護措施，對確保城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的安全暢通具有重要的現(xiàn)實意義。

在前期對上海的研究中，文獻[12]利用CTA方法獲得了垂直形變精度優(yōu)于5mm的結(jié)果；文獻[13]基于短時間序列SAR影像反演了主城區(qū)的沉降；文獻[14]利用PS-InSAR技術(shù)對填海造陸地區(qū)的沉降進行了分析和驗證；文獻[15]利用小基線方法對迅速下沉的地物進行了時空分析；文獻[16]利用高分辨率InSAR技術(shù)觀測并分析了部分開挖隧道及高速公路沿線的沉降，文獻[17]提出高質(zhì)量選點算法，在上海地區(qū)有效排除了由于旁瓣效應(yīng)引起的誤選點。盡管前期已經(jīng)開展了一些應(yīng)用InSAR技術(shù)監(jiān)測上海地區(qū)地面沉降的研究工作，但大多都集中在對中心城區(qū)整體沉降格局和重要沉降區(qū)域的分析，少有針對上海市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的專題沉降細節(jié)研究，更沒有針對建成年限和建設(shè)形式進行深入分析。本文處理分析了2013—2014年上海主城區(qū)和浦東區(qū)的26景TerraSAR-X影像，著重分析了上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)沿線的沉降，分別從不同建成年限和建設(shè)形式兩個方面探討了路段的形變特征，并與水準(zhǔn)測量結(jié)果進行精度驗證。

1PS-InSAR監(jiān)測城市軌道交通形變方法

本文統(tǒng)計分析了覆蓋同一地區(qū)SAR影像集的相位和幅度信息，查找不受時間、空間去相干和大氣相位影響的穩(wěn)定PS點，并在每個PS點上建立相位模型，利用多幅干涉圖的相位值構(gòu)成方程組并迭代求解，最終獲取毫米級的地表沉降場。同時，高分辨率X波段SAR數(shù)據(jù)使得PS-InSAR技術(shù)可以持續(xù)監(jiān)測大型線狀地物的形變細節(jié)，為提取城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)沿線的短周期微小形變提供了技術(shù)支持。

本次試驗的主要步驟包括：差分干涉圖的生成、PS形變監(jiān)測結(jié)果的解算、城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)PS點的精選和提取[18]。

1.1差分干涉圖的生成

在上海主城區(qū)和浦東區(qū)的26景TerraSAR-X影像中，各選取一幅主影像，將每個輔影像與主影像進行干涉處理，得到干涉圖集，然后利用外部SRTM初步去除地形相位，得到時間序列差分干涉圖集。

文章依據(jù)時間基線、空間基線和多普勒頻率最優(yōu)的策略選擇最優(yōu)的干涉組合，引入總體相干性系數(shù)作為選擇主影像的依據(jù)，它由時間相干性、空間相干性、多普勒相干性和熱噪聲相干性組成，如式(1)所示

ρtotal=ρtemporalρspatialρdopplerρthermal≈

(1)

1.2PS形變監(jiān)測結(jié)果的解算

本文采用基于振幅離差、相干系數(shù)的雙重閾值方法提取相干點目標(biāo)，很好地提高了低相干區(qū)域點目標(biāo)的密度和估算精度。首先，用幅度穩(wěn)定性近似表達相位穩(wěn)定性，設(shè)定一個初始振幅離差閾值選取PS候選集；然后，完成候選點目標(biāo)的網(wǎng)格化，并根據(jù)相干系數(shù)γ重新對點目標(biāo)定權(quán)，并經(jīng)過多次迭代篩選出符合條件PS點目標(biāo)；最后，剔除鄰近的偽相干點目標(biāo)，消除旁瓣效應(yīng)，得到最終的PS點集。評價相干點目標(biāo)穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)是相干系數(shù)γ，定義為式(2)

(2)

上述方法探測到的每個PS點的干涉相位可以認為是5個組成部分之和，它們都是相對唯一主影像的視線向相位差值，如式(3)

φint=φdef+φtopo+φatm+φorb+φn

(3)

(4)

式中φn,x,i=Δφdef,x,i+Δφatm,x,i+Δφorb,x,i很小，Δφξ,x,i為殘余地形相位誤差；然后，通過最小二乘法估計每個目標(biāo)點的形變速度和高程誤差；最后，根據(jù)相位的時空特性，用時空濾波方法估計并去除每個PS點的大氣和軌道誤差，得到衛(wèi)星視線向的時間序列形變相位和平均形變速率。

1.3城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)PS點的精選和提取

由于本文的目標(biāo)是估算并分析軌道交通沿線PS點的沉降參數(shù)，在得到大范圍的PS點目標(biāo)后，還要進一步針對上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)進行沿線PS點的精選和提取，剔除無關(guān)的點目標(biāo)。首先，在空間上，以上海市軌道交通網(wǎng)絡(luò)精確定位的線性矢量圖為基礎(chǔ)，重點選取了軌道交通線路兩側(cè)各20 m緩沖區(qū)內(nèi)的PS點目標(biāo)。同時，在時間域上，利用目標(biāo)點在時間序列上的最大似然估計值作為相位穩(wěn)定性的測度，提高估算精度，并保留總體相干性系數(shù)大于0.7的PS點目標(biāo)，篩選出交通網(wǎng)絡(luò)沿線及周圍穩(wěn)定的PS點。然后，對于地表以上的高架線路，結(jié)合對高程值和周圍具體環(huán)境對PS點進行合理性分析，去除遮擋路面的高層建筑物上的點，最終得到軌道交通網(wǎng)絡(luò)沿線的PS點目標(biāo)。

2試驗區(qū)概況

上海位于我國東部長江和黃浦江流入東海的入海口，大部分地區(qū)基巖面被厚約250～350 m的第四系松散土體覆蓋，正常分布的填土以下，普遍分布一層厚2～3 m的褐黃色黏性土層，呈可塑狀，其下部是淤泥質(zhì)土，呈軟塑狀[19]，在其地下進行空間開發(fā)建設(shè)和工程運營，容易發(fā)生地面沉降。20世紀(jì)初以來上海市中心城區(qū)平均累計沉降大于0.6 m，最大累計沉降量接近3 m[20]，是上海目前面臨的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，上海市軌道交通網(wǎng)絡(luò)迅速擴張，至今全網(wǎng)運營線路總長度達548 km，還有很多交通線路正在建設(shè)，地鐵車站基坑的最大尺寸約620.5 m×22.5 m，最大開挖深度超過40 m[21]。上海為典型的軟土地基地區(qū)，地鐵隧道在自重和車輛荷載作用下會出現(xiàn)過量變形，發(fā)生過早破壞甚至坍塌，加重城市安全運營的壓力。受到地面沉降影響，上海近年來發(fā)生了多起軌道交通坍塌事故，如2003年軌道交通4號線隧道坍塌；2011年軌道交通16號線工地坍塌；2012軌道交通12號線工地坍塌等,造成了嚴重的傷亡和損失。

試驗區(qū)內(nèi)有2013—2014年的上海主城區(qū)(實線標(biāo)記區(qū))和浦東區(qū)(虛線標(biāo)記區(qū))共26景TerraSAR-X影像，覆蓋范圍如圖1所示。

3形變監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1整體沉降格局分析

由于X波段SAR數(shù)據(jù)獲取的PS點密度很高，提取了上海軌道交通沿線整體的沉降速率分布格局，如圖2所示。其中，彩色點表示沿線提取的PS點目標(biāo)，顏色從藍到紅分別對應(yīng)逐漸增大的平均沉降速率，橙色的三角點為本次試驗所使用的水準(zhǔn)驗證數(shù)據(jù)的位置分布和編號。從圖2中可以看出，目前上海的軌道交通線路主要集中在主城區(qū)，且整體表現(xiàn)出不同程度的沉降，西北楊浦區(qū)、寶山區(qū)等早期建成的地鐵沿線保持較好的穩(wěn)定性，沉降嚴重的路段主要集中在浦東區(qū)。浦東是上海近年來大力發(fā)展建設(shè)的區(qū)域，大面積頻繁的地面基礎(chǔ)工程施工和排水會破壞地基原有的應(yīng)力平衡、切斷含水層，導(dǎo)致地面的不均勻沉降及破壞，相對集中的建筑物荷載相互疊加也會加大區(qū)域沉降，從而影響區(qū)域內(nèi)軌道交通線路的穩(wěn)定性。這說明不斷的城市化建設(shè)已經(jīng)成為上海軌道交通沿線主要的沉降原因。

圖1　試驗區(qū)內(nèi)TerraSAR-X影像的空間覆蓋范圍Fig.1　Space coverage of the terraSAR-X images in the research area

由于路基的固結(jié)時期、高度，樁基的土層分布、土強度等均影響到路基的穩(wěn)定性，筆者在時間上按照不同的建成年限，在空間上按照不同的建設(shè)形式，對上海軌道交通沿線的沉降特征進行分類探討。

3.2不同建成年限軌道交通線路的沉降分析

根據(jù)不同的建成年限，上海軌道交通線路可以劃分為2010年以前建成的路段、2010—2014年建成的路段以及正在建設(shè)的路段，沿線沉降速率分布如圖3所示。其中，圖3(a)為2010年以前建成通車的路段，大部分線路位于主城區(qū)黃浦江以西，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，沉降速率在-3～3 mm/a左右，少數(shù)路段在黃浦江以東，受到浦東新區(qū)2號線、12號線、13號線等軌道交通工程建設(shè)，以及面向上海世博會的大規(guī)模道路、橋梁和場館建設(shè)影響，沉降速率相對較大，約-3～-9 mm/a；圖3(b)為2010—2014年間建成通車的路段，沉降路段主要集中在浦東，其他路段保持基本穩(wěn)定；圖3(c)為觀測期間正在建設(shè)的路段，受到自身及周圍施工建設(shè)的影響，這些線路沿線的穩(wěn)定性相對較差，整體的沉降大于已經(jīng)建成的路段。

在此基礎(chǔ)上，進一步對上海多期建設(shè)的軌道交通2號線、13號線、8號線和16號線進行了具體分析，如圖4所示。

軌道交通2號線：沿線沉降速率如圖4(a)所示，西段穿越中心城區(qū)2000年6月通車，建成年代較早，沿線已基本穩(wěn)定，沉降速率不超過-5 mm/a，而東延伸龍陽路-浦東機場段是2010年通車的，且穿過張江鎮(zhèn)沉降區(qū)，沿線的穩(wěn)定性較差一些，存在約-10～-5 mm/a的沉降。整個 2號線沿線以龍陽路地鐵站處沉降速率最大，約-12 mm/a，這是由于龍陽路地鐵站地處多條軌道交通線路和磁懸浮列車專線的交匯地帶，長期處于工程建設(shè)和交通荷載壓力中，容易導(dǎo)致表面第四紀(jì)松散黏性土層的固結(jié)壓縮，形成沉降。

軌道交通13號線：沿線沉降速率如圖4(b)所示，一期工程金運路站-長壽路站于2012年首先開通，二期工程南京西路-華夏中路段處于正在建設(shè)中，已于2015年通車。西段一期工程主要位于黃浦江西岸，沿線的沉降速率相對較小，但由于建成不久，目前還處在工后沉降階段，仍有合理的小幅沉降；東段二期工程正處在建設(shè)中，沿線可提取到的穩(wěn)定點目標(biāo)并不多，且沉降速率相對較大。

軌道交通8號線：沿線沉降速率如圖4(c)所示，北段一期工程2007年底通車，大部分路段保持基本穩(wěn)定，少數(shù)路段仍有微量沉降，南段二期工程2009年通車，位于黃浦江以東的新開發(fā)區(qū)域，沉降速率相對較大，沿線浦江鎮(zhèn)地鐵站處沉降最嚴重，最大沉降速率約-8 mm/a。浦江鎮(zhèn)地鐵站是軌道交通8號線由地下隧道進入高架的轉(zhuǎn)折點，高程起伏較大，它周圍的漕河涇出口加工區(qū)、浦江華僑城等人口和建筑物的密度都較大，從地下抽取的生產(chǎn)和生活用水比較多，交通流量也日益增加，這些都加速了道路結(jié)構(gòu)的破壞和沉降。

軌道交通16號線：沿線沉降速率如圖4(d)所示，全程以高架線路為主，南段一期工程路段保持基本穩(wěn)定，沉降速率小于-3 mm/a；北段二期工程正在建設(shè)中，因此，提取到的穩(wěn)定點目標(biāo)相對較少一些，且穿過張江鎮(zhèn)沉降區(qū)，受到自身施工建設(shè)影響，表現(xiàn)出的沉降速率更大，約-10 mm/a。

圖2　上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)沉降速率和水準(zhǔn)數(shù)據(jù)分布圖Fig.2　Deformation velocity map of Shanghai’s subway networks

圖3　不同建成年限軌道交通線路沉降速率分布圖Fig.3　Deformation velocity map of Shanghai’s subway with different construction periods

圖4　軌道交通2號線、8號線、13號線、16號線沉降速率分布圖Fig.4　Deformation velocity map of No.2、8、13 and 16 subway

上述分析表明，一些不同工期建成的軌道交通線路沿線的沉降程度與建成時期有一定關(guān)聯(lián)，早期建成的路段由于經(jīng)過了長期的工后沉降和持續(xù)有效的管理維護，沿線整體比較穩(wěn)定，而后期建成的路段由于運營時間較短或者正在建設(shè)中，土層受到工后沉降和施工擾動的影響而加劇形變，導(dǎo)致這些路段穩(wěn)定性較差，沉降較明顯。

3.3不同建設(shè)形式軌道交通線路的沉降分析

根據(jù)不同的建設(shè)形式，上海軌道交通線路可以劃分為高架路段和地下路段，其沿線沉降速率分布如圖5所示。其中，圖5(a)為上海主要的地鐵高架線路，沿線穩(wěn)定性較高，只有極少數(shù)路段有小幅沉降；圖5(b)為上海主要的地鐵隧道線路，沿線的沉降分布較廣，且沉降速率較大，尤其是浦東張江鎮(zhèn)沉降區(qū)，受到多條軌道交通線路和頻繁的城市化建設(shè)影響，最大沉降速率約達-12 mm/a。

進一步對上海不同建設(shè)形式的軌道交通4號線、6號線和9號線進行了具體分析，如圖6所示。

圖5　不同建設(shè)形式軌道交通線路沉降速率分布圖Fig.5　Deformation velocity map of Shanghai’s subway with different building mode

圖6　軌道交通4號線、6號線、9號線沉降速率分布圖Fig.6　Deformation velocity map of No.4、6 and 16 subway

軌道交通4號線：沿線沉降速率如圖6(a)所示，是一條環(huán)狀線路，西北半環(huán)為高架路段，主要采用鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)，當(dāng)土層承載力不足或地表為松軟土層，樁基礎(chǔ)不僅能承載較大的上部荷載而且沉陷的速率相對比較慢，并能承載垂直向和水平向的載荷[22]，沿線保持基本穩(wěn)定，沉降速率小于3 mm/a；東南半環(huán)為地下路段，位于淺層松軟土層中，尤其是浦東的塘橋站-世紀(jì)大道站路段，周圍居民區(qū)密集，地表建筑物荷載相互疊加，形成一定的區(qū)域沉降，且與軌道交通6號線部分重合，地下空間開挖程度較大，表現(xiàn)出的沉降速率也較大，沉降速率約達-12 mm/a。

軌道交通6號線：沿線沉降速率如圖6(b)所示，北段為高架路段，由于城市高架橋樁基較深，相對比較穩(wěn)定，沉降速率大約在-3～3 mm/a之間；南邊為地下路段，沉降速率較大，尤其是世紀(jì)大道站-高清路站路段，周圍居民區(qū)密集，且與軌道交通4號線部分重合，包含了不同的換乘樞紐，其中世紀(jì)大道站地下為3層4線島式站臺， 地下空間開挖較深，對于這樣深度與面積較大的基坑，造成支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而引發(fā)基坑周邊地區(qū)地面沉降的危險性較高，沉降速率約達-12 mm/a。

軌道交通9號線：沿線沉降情況如圖6(c)所示，是橫穿上海的一條主要干線。西段為高架路段，且建成年限較早，沿線沉降量較小且較為均勻；東段為地下路段，且楊高中路站以東的路段正在建設(shè)中，提取的穩(wěn)定PS點比較稀疏，沉降速率較大，尤其是黃浦江以東的路段，隨著浦東新區(qū)的開發(fā)與建設(shè)，以重大市政工程為代表的地鐵、隧道、排水工程、道路改擴建等，都會影響地鐵隧道沿線的穩(wěn)定性，導(dǎo)致地表的下沉。

上述分析表明，軌道交通線路沿線的沉降程度與其建設(shè)形式有一定關(guān)聯(lián)，城市高架路橋大多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有成熟的設(shè)計規(guī)范，樁基較深，穩(wěn)定性相對較高，而地下隧道處于上海松軟土質(zhì)環(huán)境中，受到地表基礎(chǔ)工程建設(shè)和動靜荷載疊加作用影響較大，穩(wěn)定性相對較差，屬于軌道交通沿線沉降相對較大的路段。

4反演結(jié)果的精度分析

為了全面評估InSAR技術(shù)解譯的準(zhǔn)確性和精度水平，本文采用上海市時間跨度為2013年8月至2014年10月期間，每月一次的水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)與PS-InSAR結(jié)果的對比驗證，二者的觀測時間跨度和測量值分布的月份可以達到基本重合。水準(zhǔn)點的位置分布和編號如圖2所示，兩種形變結(jié)果的對比驗證如圖7所示?？梢钥闯雒總€水準(zhǔn)點的測量結(jié)果均與PS-InSAR監(jiān)測結(jié)果保持很好的一致性，相差不超過3 mm/a，二者的平均誤差為1.181 mm/a，標(biāo)準(zhǔn)差為1.337 mm/a，表明PS-InSAR技術(shù)應(yīng)用于地面沉降監(jiān)測可以達到毫米級的精度。

由于形變速率只是在時間段上對形變量的驗證，具體還應(yīng)該考慮時間序列上的二者沉降量的一致性。這里選取了距離軌道交通沿線比較近的4個水準(zhǔn)點F3、F12、F24和F64為例，對PS-InSAR和水準(zhǔn)測量結(jié)果的形變時間序列進行對比分析，分別如圖8(a)到(d)所示，可以發(fā)現(xiàn)二者的時間序列變化曲線也比較吻合，每個月PS-InSAR與水準(zhǔn)數(shù)據(jù)測量得到的沉降量相差不超過3 mm，證實了PS-InSAR形變監(jiān)測結(jié)果的可靠性。

圖7　水準(zhǔn)測量與InSAR反演的形變速率比較Fig.7　Comparison of deformation rate monitoring by leveling and InSAR

5結(jié)論

PS-InSAR技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通沉降監(jiān)測領(lǐng)域，具有PS點密度大，覆蓋范圍廣，干涉處理自動化程度高等優(yōu)勢。本文利用高分辨率TerraSAR-X影像獲取了上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)沿線逐步發(fā)展的沉降，針對不同的建成年限和建設(shè)形式對上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)的沉降情況及原因進行了探討，并與同時期水準(zhǔn)測量結(jié)果進行精度驗證。

對上海軌道交通沿線的沉降分析表明：①不同年限建成的軌道交通路段，其沉降程度有所不同，早期建成的路段穩(wěn)定性較高，晚期建成的路段沉降速率較大；②不同建設(shè)形式的軌道交通路段表現(xiàn)出不同的沉降特征，高架路段穩(wěn)定性較高，地下路段沉降速率較大。

綜合上述分析，從不同建成時期或建設(shè)形式的總體結(jié)果來看，位于浦東新區(qū)的路段總體沉降比較明顯，這與浦東新區(qū)的工程地質(zhì)環(huán)境和新區(qū)建設(shè)息息相關(guān)。浦東新區(qū)地表淺層廣泛分布的松散粘性土層屬于海相沉積的欠固結(jié)土，不僅自身形變明顯，更容易受外界作用影響使形變加劇。在其表面填筑路基或地下淺層進行空間開挖，以及車流量和周圍密集居民地的動靜荷載作用下，周圍土體容易發(fā)生移動和固結(jié)壓縮變形，導(dǎo)致地面沉降。因此，上海浦東新區(qū)快速的城市化發(fā)展建設(shè)和特殊的軟土地質(zhì)條件構(gòu)成了軌道交通系統(tǒng)主要的沉降原因。

基于高分辨率TerraSAR-X影像的永久散射體干涉測量(PS-InSAR)技術(shù)可以成功應(yīng)用于城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的形變監(jiān)測，并得到毫米級的監(jiān)測精度。研究進一步拓展了該技術(shù)的應(yīng)用，證實了它在城市地面和地下空間形變監(jiān)測、管理維護和預(yù)警方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖8　上海水準(zhǔn)數(shù)據(jù)與PS-InSAR形變時間序列對比圖Fig.8　Comparison of time-series deformation monitoring by leveling and InSAR

致謝：本文所采用的時間序列TerraSAR-X數(shù)據(jù)由德國宇航院提供(項目編號：COA1755，GEO0606)。感謝上海地質(zhì)調(diào)查研究院協(xié)助進行精度驗證。

參考文獻：

[1]劉運明, 馬全明, 陳大勇, 等. D-InSAR技術(shù)在城市軌道交通變形監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 都市快軌交通, 2014, 27(4): 62-66.

LIU Yunming, MA Quanming, CHEN Dayong, et al. D-InSAR Technology Applied in the Field of Deformation Monitoring in Urban Rail Transit[J]. Urban Rapid Rail Transit, 2014, 27(4): 62-66.

[2]袁鵬偉, 宋守信, 董曉慶, 等. 城市軌道交通系統(tǒng)脆弱性因素辨識模型研究[J]. 交通運輸系統(tǒng)工程與信息, 2014, 14(5): 110-118.

YUAN Pengwei, SONG Shouxin, DONG Xiaoqing, et al. Vulnerability Identification Model of Urban Rail Transit System[J]. Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology, 2014, 14(5): 110-118.

[3]李德仁, 廖明生, 王艷. 永久散射體雷達干涉測量技術(shù)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版), 2004, 29(8): 664-668.

LI Deren, LIAO Mingsheng, WANG Yan. Progress of Permanent Scatterer Interferometry[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2004, 29(8): 664-668.

[4]陳強, 羅容, 楊瑩輝, 等. 利用SAR影像配準(zhǔn)偏移量提取地表形變的方法與誤差分析[J]. 測繪學(xué)報, 2015, 44(3): 301-308. DOI: 10.11947/j.AGCS.2015.20130782. CHEN Qiang, LUO Rong, YANG Yinghui, et al. Method and Accuracy of Extracting Surface Deformation Field from SAR Image Coregistration[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2015, 44(3): 301-308. DOI: 10.11947/j.AGCS.2015.20130782.

[5]花奮奮, 趙爭, 王萌萌, 等. 面向多基線干涉SAR高程反演的全局最優(yōu)相干方法[J]. 測繪學(xué)報, 2015, 44(11): 1263-1271. DOI: 10.11947/j.AGCS.2015.20140694.

HUA Fenfen, ZHAO Zheng, WANG Mengmeng, et al. A Global Optimal Coherence Method for Multi-baseline InSAR Elevation Inversion[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2015, 44(11): 1263-1271. DOI: 10.11947/j.AGCS.2015.20140694.

[6]CHEN Jie, WU Jicang, ZHANG Lina, et al. Deformation Trend Extraction Based on Multi-temporal InSAR in Shanghai[J]. Remote Sensing, 2013, 5(4): 1774-1786.

[7]陳強, 楊瑩輝, 劉國祥, 等. 基于邊界探測的InSAR最小二乘整周相位解纏方法[J]. 測繪學(xué)報, 2012, 41(3): 441-448. CHEN Qiang, YANG Yinghui, LIU Guoxiang, et al. InSAR. Phase Unwrapping Using Least Squares Method with Integer Ambiguity Resolution and Edge Detection[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2012, 41(3): 441-448. [8]張永紅, 吳宏安, 孫廣通. 時間序列InSAR技術(shù)中的形變模型研究[J]. 測繪學(xué)報, 2012, 41(6): 864-869. ZHANG Yonghong, WU Hongan, SUN Guangtong. Deformation Model of Time Series Interferometric SAR Techniques[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2012, 41(6): 864-869.

[9]SHI Xuguo, LIAO Mingsheng, WANG Teng, et al. Expressway Deformation Mapping Using High-resolution TerraSAR-X Images[J]. Remote Sensing Letters, 2014, 5(2): 194-203.

[10]程海琴, 陳強, 劉國祥, 等. 短基線InSAR探測龍門山主斷裂帶兩側(cè)震后雨期的滑坡空間分布特征[J]. 測繪學(xué)報, 2014, 43(9): 931-938. DOI: 10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0161.CHENG Haiqin, CHEN Qiang, LIU Guoxiang, et al. Post-earthquake Landslides Distribution along Longmenshan Major Fault during Rainy Season with Short-baseline InSAR[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2014, 43(9): 931-938. DOI: 10.13485/j.cnki.11-2089.2014.0161.

[11]GE Linlin, LI Xiaojing, Chang Hsingchung, et al. Impact of Ground Subsidence on the Beijing—Tianjin High-speed Railway as Mapped by Radar Interferometry[J]. Annals of GIS, 2010, 16(2): 91-102.

[12]王艷, 廖明生, 李德仁, 等. 利用長時間序列相干目標(biāo)獲取地面沉降場[J]. 地球物理學(xué)報, 2007, 50(2): 598-604. WANG Yan, LIAO Mingsheng, LI Deren, et al. Subsidence Velocity Retrieval from Longterm Coherent Targets in Radar Interferometric Stack[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2007, 50(2): 598-604.

[13]盧麗君, 廖明生, 王騰, 等. 一種在長時間序列SAR影像上提取穩(wěn)定目標(biāo)點的多級探測法[J]. 遙感學(xué)報, 2008, 12(4): 561-567.

LU Lijun, LIAO Mingsheng, WANG Teng, et al. A Multi-step Detection Method for Extraction of Stable Pointwise Target in Long Temporal SAR Image Series[J]. Journal of Remote Sensing, 2008, 12(4): 561-567.

[14]裴媛媛, 廖明生, 王寒梅. 利用時序DInSAR監(jiān)測填海造陸地區(qū)地表沉降[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版), 2012, 37(9): 1092-1095. PEI Yuanyuan, LIAO Mingsheng, WANG Hanmei. Monitoring Subsidence in Reclamation Area with Time Series DInSAR Images[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2012, 37(9): 1092-1095.

[15]DONG Shaochun, SAMSONOV S, YIN Hongwei, et al. Time-series Analysis of Subsidence Associated with Rapid Urbanization in Shanghai, China Measured with SBAS InSAR Method[J]. Environmental Earth Sciences, 2014, 72(3): 677-691.

[16]PERISSIN D,WANG Zhiying,LIN Hui. Shanghai Subway Tunnels and Highways Monitoring through Cosmo-SkyMed Persistent Scatterers[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2012, 73: 58-67.

[17]熊文秀, 馮光財, 李志偉, 等. 顧及時空特性的SBAS高質(zhì)量點選取算法[J]. 測繪學(xué)報, 2015, 44(11): 1246-1254.

XIONG Wenxiu, FENG Guangcai, LI Zhiwei, et al. High Quality Targets Selection in SBAS-InSAR Technique by Considering Temporal and Spatial Characteristic[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2015, 44(11): 1246-1254.

[18]廖明生, 王騰. 時間序列InSAR技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2014. LIAO Mingsheng, WANG Teng. Time Series InSAR Technology and Application[M]. Beijing: Science Press, 2014.

[19]莫群歡, 季良華, 莊永樂, 等. 上海市第四系的工程地質(zhì)研究[J]. 高校地質(zhì)學(xué)報, 1999, 5(4): 467-473. MO Qunhuan, JI Lianghua, ZHUANG Yongle, et al. Study on Engineering Geology of Shallow Quaternary System in Urban Area of Shanghai[J]. Geological Journal of China Universities, 1999, 5(4): 467-473.

[20]龔士良. 上海地面沉降研究綜述[J]. 上海地質(zhì), 2006(4): 25-29.

GONG Shiliang. Review on Land Subsidence Research of Shanghai[J]. Shanghai Geology, 2006(4): 25-29.

[21]龔士良, 葉為民, 陳洪勝, 等. 上海市深基坑工程地面沉降評估理論與方法[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報, 2008, 19(4): 55-60.

GONG Shiliang, YE Weimin, CHEN Hongsheng, et al. Theory and Methodology on Assessment of Land Subsidence Caused by Excavation Engineering for Deep Foundation Pit in Shanghai[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2008, 19(4): 55-60.

[22]AO Minsi, WANG Changcheng, XIE Rongan, et al. Monitoring the Land Subsidence with Persistent Scatterer Interferometry in Nansha District, Guangdong, China[J]. Natural Hazards, 2015, 75(3): 2947-2964.

(責(zé)任編輯：叢樹平)

修回日期： 2016-01-31

First author： QIN Xiaoqiong (1991—), female, PhD candidate, majors in the research of surface deformation monitoring based on time-series InSAR.

E-mail： qinxiaoqiong@whu.edu.cn

E-mail： liao@whu.edu.cn

Application of High-resolution PS-InSAR in Deformation Characteristics Probe of Urban Rail Transit

QINXiaoqiong1，YANGMengshi1，WANGHanmei2,3，YANGTianliang2,3，LINJinxin2,3，LIAOMingsheng1,2

1.StateKeyLaboratoryofEngineeringinSurveying，MappingandRemoteSensing,Wuhan430079,China; 2.KeyLaboratoryofLandSubsidenceMonitoringandPrevention,MinistryofLandandResourcesofChina,Shanghai200072,China; 3.ShanghaiInstituteofGeologicalSurvey,Shanghai200072,China

Abstract：Inordertomakesurethesecurityandsustainabledevelopmentoftheurbanrailtransit,thePS-InSARtechnologyisintroducedintothedeformationmonitoringofurbanrailtransit.TakingShanghaiasanexample,itisanalyzedthatthecharacteristicsofsurfacedeformationalongtherailtransit.Firstly, 26TerraSAR-Ximagesareusedtocarryoutthehigh-resolutionPS-InSARsubsidencefinemeasurementsinShanghaifortheoveralllandsubsidingcharacteristicsofrailtransit.Then,thedetailsubsidencepatternandthedrivingforceisdiscussedbyclassifiedtherailtransitwithdifferentconstructionperiodsandbuildingmodes.Finally,theaccuracyoftheresultsisverifiedbylevelinginthesameperiod.TheresultsshowthatrapidurbanizationconstructionhasbecomeamainreasonforthesubsidenceofShanghairailtransit.Railtransitwithdifferentconstructionperiodsandbuildingmodesshowvariousdeformationcharacteristics.Earliersectionsaremorestablethanlatersectionsandelevatedsectionshavesmallersubsidenceratethanundergroundsections.Theverificationresultsshowfairlyconsistentagreement.Theresultsfurtherillustratethatitisfeasibletousethehigh-resolutionPS-InSARtechnologyintothedeformationmonitoring,management,maintenanceandearlywarningofurbanpublictransportationprojects.Itcanalsoprovidedecisionsupportforplanningandconstructionofurbanpublictransportation.

Keywords：subsidencemonitoring;PS-InSAR;urbanrailtransit;highresolution

中圖分類號：P237

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-1595(2016)05-0713-09

基金項目：國家自然科學(xué)基金重點項目(61331016)；湖北省自然科學(xué)基金重點項目(2014CFA047)；高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(06-Y30B04-9002-13115)

收稿日期：2015-08-27

第一作者簡介：秦曉瓊(1991—)，女，博士生，研究方向為時間序列InSAR地表形變監(jiān)測。

通信作者：廖明生

Corresponding author：LIAO Mingsheng

引文格式：秦曉瓊，楊夢詩，王寒梅，等.高分辨率PS-InSAR在軌道交通形變特征探測中的應(yīng)用[J].測繪學(xué)報，2016,45(6)：713-721.DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150440.

QINXiaoqiong，YANGMengshi，WANGHanmei，etal.ApplicationofHigh-resolutionPS-InSARinDeformationCharacteristicsProbeofUrbanRailTransit[J].ActaGeodaeticaetCartographicaSinica,2016,45(6):713-721.DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150440.