復(fù)雜山區(qū)鐵路沿線形變監(jiān)測

盧志昌

（南昌鐵路天河測量技術(shù)股份有限公司，南昌30008）

1 引言

傳統(tǒng)的地面人工監(jiān)測方式雖然可以提取到較為精準的形變數(shù)據(jù)，但整個監(jiān)測所花費的成本較高，重復(fù)觀測周期長，其實時監(jiān)測能力不高，如水準測量和GPS。星載合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術(shù)是一種全新的形變監(jiān)測方法，優(yōu)勢在于可以全天候、全天時地獲取形變信息，但其在一定程度上會受到時間和大氣效應(yīng)的影響。因此，進一步完善相關(guān)監(jiān)測技術(shù)，規(guī)范監(jiān)測流程對于復(fù)雜山區(qū)鐵路沿線形變監(jiān)測具有重要的意義。

2 SqueeSAR技術(shù)的應(yīng)用原理簡述

近年來，隨著測量技術(shù)的發(fā)展，各種針對復(fù)雜山區(qū)鐵路沿線形變監(jiān)測的技術(shù)陸續(xù)出現(xiàn)。為了有效提升鐵路沿線點的分布密度，得到準確可靠的形變信息，基于DS-InSAR技術(shù)，KS檢驗同質(zhì)點選取與自適應(yīng)濾波算法，能夠得到分布式散射點，并且聯(lián)合現(xiàn)階段使用的PS-InSAR技術(shù)后，所衍生出的SqueeSAR技術(shù)可以準確地對鐵路沿線開展時序形變監(jiān)測。就SqueeSAR技術(shù)應(yīng)用方式來看，其主要是加入分布式散射體DS點和非人工地表的散射體數(shù)量，而后對鐵路沿線所在的山區(qū)SAR數(shù)據(jù)加以分析，進而分析出SqueeSAR實驗結(jié)果與PS-InSAR結(jié)果之間的差異性[1]。現(xiàn)階段，我國關(guān)于基于分布式散射點的長時間序列InSAR技術(shù)的相關(guān)研究較少，整體處于探索階段，但可以明確的是，基于快速分布式目標檢測的時序InSAR技術(shù)，能夠快速提取到分布式散射點，最終實現(xiàn)地表形變監(jiān)測。

對于基于KS算法的空間自適應(yīng)濾波來說，其圖濾波效果會受到窗口像素散射特性的影響，這要求在干涉圖濾波前需要對窗口像素各個元點的散射特性進行全面的分析和判斷，同時要選取和保證后散射特性樣本點的一致性[2]。KS檢驗技術(shù)的優(yōu)勢在于可以提取到同質(zhì)點，整體操作簡單易行，不針對具體的分布函數(shù)，實現(xiàn)效果良好。就KS檢驗判斷成效來說，其通過對P1、P2檢驗，能夠準確得知是否為統(tǒng)計均勻像素，所分析的分布式散射點的隨機標量在重新參數(shù)化的情況下依然較為穩(wěn)定。而對于相位三角法估計最優(yōu)相位來說，其重建過程中的干涉相位噪聲小，整個開展過程更加安全可靠?？梢哉f，相位三角法為分布式散射點、后向散射信息和時相穩(wěn)定性信息的溝通提供了橋梁，實踐應(yīng)用效果顯著。

3 鐵路沿線形變監(jiān)測項目

本文所選取的鐵路沿線形變監(jiān)測項目為渝懷鐵路，渝懷鐵路屬于西部大開發(fā)的重點項目。全程624.523km，整條鐵路包括滑坡、煤層、巖溶、斷層、天然氣等地質(zhì)地形條件，更為重要的是，渝懷鐵路跨越了7條江河，沿線所設(shè)計的隧道共計190座，橋梁共計372座，最長的隧道為原梁山隧道，長度達到11.68km?？偟膩砜矗鍛谚F路所處的地質(zhì)地形是比較復(fù)雜惡劣的，如何做好此區(qū)域的形變監(jiān)測對鐵路安全運行具有十分重要的意義。本次研究所選取的對象為彭水—黔江段，整體地勢起伏較大，屬于典型的喀斯特地貌，其中包括2段隧道和長度為1 044m的橋梁。在確定研究區(qū)域后，首先按照此區(qū)域植被覆蓋特點，獲取高分辨率的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，并對主影像進行預(yù)處理加工，獲得時序差分干涉像對。

4 數(shù)據(jù)預(yù)處理與分析

4.1 數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理過程中，首先，借助整景ALOS-2數(shù)據(jù)配準，剪出所需要的符合區(qū)域，而后利用SLC數(shù)據(jù)集和參數(shù)文件，得到所需要的基線文件和專門用于記錄干涉信息的文本文件。這是本次經(jīng)過10景SAR影像所獲得的平均強度影像。數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作完成后，所需要做的工作便是利用KS檢驗選取分布式散射點，相位三角算法獲得最優(yōu)相位，最終獲取時間序列上高相干性的地面目標點，以此保證分布式散射點、后向散射信息和時相穩(wěn)定性信息之間具有良好的統(tǒng)計特性，實現(xiàn)聯(lián)合處理。待兩者有效聯(lián)合后，需要利用外部DEM數(shù)據(jù)生成所需要的差分干涉圖，所生成的差分干涉圖目標在于開展回歸分析。除此之外，鐵路沿線形變參數(shù)和參與地形誤差均需要通過最小二乘法來實現(xiàn)，且需要通過時間維高和空間維低通濾波估算和移除大氣延遲相位的影響，最終得到時間序列形變。

本次以500m作為緩沖區(qū)半徑，對彭水—黔江段沿線500m范圍內(nèi)的區(qū)域進行了整體的形變分析。就研究成果來看，該區(qū)域存在3處變形，更為重要的是這3處變形均距離鐵路軌道的不足350m，最大平均形變速率達到了90mm/a，這提示該區(qū)域極易發(fā)生山體滑坡，對鐵路安全運行造成的潛在危害極大。對其余2處的形變速率加以分析和比較后發(fā)現(xiàn)，剩余2處的形變速率可以達到55mm/a，雖然相比于最大平均形變速率較小，但依然值得特別注意。

4.2 研究結(jié)果分析

對于影響渝懷鐵路彭水—黔江段形變的誘發(fā)原因，經(jīng)過分析研究認為重點有3方面，即區(qū)域性人類活動、降水條件和自然地質(zhì)。首先，在區(qū)域性人類活動原因分析中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生形變的3處均位于鄉(xiāng)鎮(zhèn)地段，其中一個形變點距離國道較近。其中的一個形變點有水渠、房屋修建等人類工程活動，因為開挖邊坡坡腳，對整個斜坡的支撐力造成了影響，這大大改變了斜坡體的應(yīng)力分布，直接造成的危害便是基巖的蠕滑和坍塌，嚴重時山體失穩(wěn)造成大型坍塌事故。另外的2點位處于農(nóng)田附近，農(nóng)田所進行的耕作活動加大了鐵路沿線形變。在自然地質(zhì)條件分析中發(fā)現(xiàn)，彭水—黔江段屬于深切割的強侵蝕巖溶化中山峽谷地形，地形地質(zhì)條件較為復(fù)雜，褶皺緊密，斷層發(fā)育，所有的斷裂構(gòu)造是由4條正斷層和3條迷斷層組成，而在地下分布上，此區(qū)域的地下水可以分為巖溶水、孔隙水和裂隙水。整體來看，彭水—黔江段水文地質(zhì)條件差別性大，所處地段有發(fā)生山體滑坡的可能性。在降水條件分析中發(fā)現(xiàn)，彭水—黔江段的彭水縣屬于亞熱帶溫潤季風(fēng)氣候，常年降雨量多，降水集中于6月和7月，為地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)時節(jié)，鐵路沿線形變受久雨天氣影響更加嚴重。

5 結(jié)語

鐵路是溝通城市和居住地的經(jīng)濟命脈，但因為鐵路地理跨度大，所處的地形地勢條件復(fù)雜，運營沿線極易發(fā)生自然地質(zhì)災(zāi)害，這對于鐵路的安全運行極為不利。本文采用基于SqueeSAR算法的DS-InSAR技術(shù)對鐵路沿線形變進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在大范圍的鐵路沿線形變監(jiān)測中具有適用性和有效性?？梢哉f，分布式散射點、后向散射信息和時相穩(wěn)定性信息提取永久散射點的SqueeSAR算法可以有效獲得復(fù)雜山區(qū)鐵路沿線形變監(jiān)測數(shù)據(jù)，為鐵路安全運營提供了科學(xué)依據(jù)。