利用物探遙感技術(shù)探查城市道路塌陷隱患

朱邦彥，張琪，余森林

(南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

1 引 言

近些年，城市的快速發(fā)展導(dǎo)致道路塌陷災(zāi)害的威脅不斷加劇，道路塌陷災(zāi)害在全國各地時有發(fā)生。據(jù)中規(guī)協(xié)地下管線專業(yè)委員會統(tǒng)計，我國在2018年4月～2019年5月城市道路塌陷事故共244起，造成39人受傷，33人死亡。城市道路塌陷災(zāi)害在初現(xiàn)端倪時若不及時進行有效控制和治理，會進一步導(dǎo)致更大范圍塌陷，甚至引起地面建筑物倒塌、基礎(chǔ)設(shè)施損毀等一系列嚴(yán)重次生災(zāi)害，給城市基礎(chǔ)設(shè)施及人民群眾的生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重影響。預(yù)防道路塌陷事故，需要加大排查力度，建立常態(tài)化體檢機制，以便及時發(fā)現(xiàn)并排除隱患[1，2]。

目前，城市道路塌陷普查探測最常用的手段是探地雷達(ground penetrating radar，GPR)法，該方法具有精度高、連續(xù)無損、實時成像和結(jié)果直觀等優(yōu)點[3]。但是，考慮到城市道路跨度較大、分布范圍廣的特點，若對城市道路塌陷隱患實施全方位排查，采用單一的探地雷達法存在工作量大、成本高、盲目性且排查效率低等問題。合成孔徑雷達干涉測量(Interferometric synthetic aperture radar，InSAR)是一種主動式微波遙感技術(shù)，因其具有高精度、高分辨率、全天候全天時等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于城市基礎(chǔ)設(shè)施安全體檢領(lǐng)域[4～6]。在獲取高精度形變信息基礎(chǔ)上，綜合多源評價指標(biāo)，建立合理的評估模型，對城市道路塌陷隱患進行易發(fā)分區(qū)，可有效提高排查效率，降低作業(yè)成本。因此，本文基于35景Sentinel-1A影像采用永久散射體雷達干涉測量(persistent scatterer InSAR，PS-InSAR)技術(shù)，獲取鼓樓區(qū)江東北路以東片區(qū)主要道路2019年～2020年高精度的道路形變信息，包括年平均形變速率和形變梯度，結(jié)合軟土層厚度、管道滲漏點和軌道交通分布信息，利用層次分析法[7]建立城市道路塌陷評估模型，對實驗區(qū)道路塌陷進行易發(fā)性評估，最后經(jīng)現(xiàn)場雷達探測等手段進行驗證和綜合評價。

2 PS-InSAR技術(shù)的基本原理

PS-InSAR技術(shù)的基本原理是利用覆蓋同一區(qū)域的多景雷達影像，通過統(tǒng)計分析時間序列上幅度和相位的穩(wěn)定性，從而探測出不受時間、空間基線失相干和大氣影響的穩(wěn)定點目標(biāo)。這些點目標(biāo)能在相當(dāng)長的時間間隔內(nèi)仍保持高相干性，如裸露的巖石、建筑物、路橋和人工布設(shè)的角反射器等，由于這些點目標(biāo)長時間仍能保持穩(wěn)定散射特性，且?guī)缀醪皇馨唿c噪聲的影響，因此被稱作永久散射體(permanent scatterer，PS)。由這些密集的PS點構(gòu)成的“天然GPS網(wǎng)”，可以精確估計并消除大氣相位誤差，從而獲取毫米級的地表形變監(jiān)測精度[8]。

PS-InSAR城市道路形變監(jiān)測主要步驟包括公共主影像選取、SAR影像配準(zhǔn)、差分干涉處理、PS選取、形變參數(shù)反演、大氣相位估計和去除、城市道路形變信息提取等，其數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程圖

3 數(shù)據(jù)處理與評估

3.1 PS-InSAR數(shù)據(jù)處理

以南京市鼓樓區(qū)江東北路以東片區(qū)為實驗區(qū)，利用覆蓋實驗區(qū)的35景升軌Sentinel-1A影像，時間跨度為2019年1月～2020年4月，入射角約為33.9°，極化方式為VV，空間分辨率為 5 m×20 m，時空基線參數(shù)如圖2所示。

圖2 Sentine-1A影像時空基線

基于Sentinel-1A影像采用PS-InSAR技術(shù)共識別出 19 967個PS點，利用克里金插值法將點狀形變結(jié)果擬合成形變趨勢面，并根據(jù)實驗區(qū)龍園西路、定淮門大街、草場門大街、清涼門大街，鳳凰西街等主要道路矢量范圍，獲得實驗區(qū)城市道路形變速率圖，如圖3(a)所示。形變速率一般用來描述形變過程在時間上變化的快慢，然而對于城市道路塌陷隱患，空間上的不均勻沉降所造成的危害遠大于均勻沉降[9]。因此，在獲取形變速率的基礎(chǔ)上應(yīng)進一步分析形變在空間上變化的快慢程度，即形變梯度(gradient，g)，其計算公式可表示為：

(1)

式(1)中，vi和vj分別為任意兩像元i和j間形變速率值，d為兩像元i和j間距離。

在獲取高精度的形變速率基礎(chǔ)上，利用形變梯度算法[10]，獲得實驗區(qū)城市道路形變梯度，如圖3(b)所示。形變速率和形變梯度在空間分布上具有不一致性，形變速率最大值位于湛江路和清涼門大街交叉處，而形變梯度最大值位于北圩路和清涼門大街交叉處，兩者屬于鄰接關(guān)系。

圖3 實驗區(qū)PS點形變速率和形變梯度

3.2 城市道路塌陷易發(fā)性評估

道路塌陷風(fēng)險等級由風(fēng)險發(fā)生可能性和風(fēng)險后果嚴(yán)重性決定[11]。對于城市道路塌陷易發(fā)性評估，重點關(guān)注道路塌陷風(fēng)險發(fā)生的可能性，從而實現(xiàn)城市道路塌陷隱患高效排查。城市道路塌陷易發(fā)性評估模型計算公式可表示為：

(2)

式(2)中，P為城市道路塌陷易發(fā)性分值，P(i)為評估指標(biāo)，W(i)為評估指標(biāo)權(quán)重。

城市道路塌陷頻發(fā)最主要的原因是地下管道破損滲漏、施工擾動等，且路面塌陷易發(fā)性與地面不均勻沉降存在相關(guān)關(guān)系[12]。因此，在獲取InSAR城市道路形變梯度的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟土層厚度、管道滲漏點和軌道交通分布信息，采用層次分析法，建立合理的城市道路塌陷易發(fā)性評估模型，如表1所示。本文建立了城市道路塌陷4類評估指標(biāo)，分級標(biāo)準(zhǔn)為低、中、高三個等級，依次量化為1，2，3，分別表示道路塌陷發(fā)生可能性較小、一般、較大，實驗區(qū)道路塌陷評估指標(biāo)分級結(jié)果如圖4所示。

城市道路塌陷易發(fā)性評估模型及分級 表1

圖4 實驗區(qū)道路塌陷4類評估指標(biāo)分級結(jié)果

4 結(jié)果分析與驗證

4.1 城市道路塌陷易發(fā)性分析

根據(jù)本文建立的城市道路塌陷易發(fā)性評估模型，得到了實驗區(qū)易發(fā)性評估結(jié)果，如圖5所示。實驗區(qū)道路塌陷易發(fā)性空間特征明顯，呈現(xiàn)西南高東北低的趨勢。道路塌陷高易發(fā)區(qū)主要分布在實驗區(qū)西南側(cè)龍園西路、湛江路、清涼門大街和鳳凰西街，面積約 0.23 km2，占實驗區(qū)總面積的13.0%；道路塌陷較高易發(fā)區(qū)主要分布在高易發(fā)區(qū)的周圍，面積約 0.55 km2，占實驗區(qū)總面積的31.1%；道路中等易發(fā)區(qū)分布范圍最廣，主要分布在東北側(cè)區(qū)域，并與低易發(fā)區(qū)交叉分布，面積約 0.79 km2，占實驗區(qū)總面積的44.6%；道路塌陷低易發(fā)區(qū)主要分布在東北側(cè)沿河區(qū)域，面積約 0.2 km2，占實驗區(qū)總面積的11.3%。

圖5 實驗區(qū)城市道路塌陷易發(fā)性評估結(jié)果

4.2 結(jié)果驗證

根據(jù)實驗區(qū)城市道路塌陷易發(fā)性評估結(jié)果，共選取了9處高易發(fā)區(qū)，分別為YC01～YC09，經(jīng)現(xiàn)場地質(zhì)雷達探測、數(shù)據(jù)處理與圖像解譯，共標(biāo)定3處地下病害體，其中1處富水，1處嚴(yán)重疏松，1處一般疏松，如圖6所示。經(jīng)過復(fù)測詳查、鉆孔和開挖驗證，確定富水病害范圍 2 m(南北)×2 m(東西)，頂部埋深約 1.0 m；嚴(yán)重疏松病害范圍 5 m(南北)×2 m(東西)，頂部埋深約 1.2 m；一般疏松病害范圍 8 m(南北)×4 m(東西)，頂部埋深約 1.3 m。實驗結(jié)果表明，本文利用物探和InSAR遙感技術(shù)，建立道路塌陷評估模型，可有效探查道路塌陷隱患。

圖6 實驗區(qū)3處地下病害雷達圖譜

5 結(jié) 論

本文利用PS-InSAR技術(shù)獲取南京市鼓樓區(qū)江東北路以東片區(qū)2019年～2020年高精度形變信息，計算出形變梯度，結(jié)合軟土層厚度、管道滲漏點緩沖區(qū)和軌道交通緩沖區(qū)信息，利用層次分析法，建立城市道路塌陷評估模型，對實驗區(qū)道路塌陷易發(fā)性評估結(jié)果進行分析和驗證，結(jié)果表明：

(1)實驗區(qū)地面塌陷形變易發(fā)性空間特征較明顯，呈現(xiàn)西南高東北低的趨勢，高易發(fā)區(qū)主要分布在實驗區(qū)龍園西路、湛江路、清涼門大街和鳳凰西街等，應(yīng)重點關(guān)注；

(2)對9處高易發(fā)區(qū)經(jīng)現(xiàn)場雷達探測交叉驗證，確認(rèn)了地下病害類型及位置，表明本文方法的有效性。

本文的結(jié)果對城市道路塌陷隱患排查工作具有參考意義，可有效提高排查效率。