基于SBAS技術(shù)的寧波市軌道交通沿線地面沉降監(jiān)測

溫浩，胡在凰，胡玉坤

(寧波市測繪和遙感技術(shù)研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

城市軌道交通，作為節(jié)能源、省空間、污染少、運(yùn)量大、速度快、準(zhǔn)時(shí)的交通大動(dòng)脈能夠明顯緩解路面的交通擁堵[1]。截至2020年底，寧波軌道交通運(yùn)營里程達(dá) 155 km[2]，根據(jù)《國家發(fā)展改革委關(guān)于寧波市城市軌道交通第三期建設(shè)規(guī)劃(2021-2026年)的批復(fù)》，寧波市還將規(guī)劃建設(shè)5條線路，總里程約 106.5 km，估算總投資875.9億元[3]。軌道交通能帶動(dòng)城市發(fā)展并改善社會(huì)生活條件，但受自然或人為活動(dòng)影響，地鐵沿線和周邊會(huì)發(fā)生地面沉降，損壞地鐵路基和橋梁結(jié)構(gòu)，引發(fā)地下管道破裂、城市內(nèi)澇和坍塌等事故。因此，有必要對(duì)沿線目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，為政府防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供決策依據(jù)[4]。

隨著國內(nèi)外對(duì)地觀測技術(shù)的不斷發(fā)展，合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)(Interferometry Synthetic Aperture Rarar，InSAR)也在不斷改進(jìn)，并被運(yùn)用于地面沉降監(jiān)測領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的高水準(zhǔn)測量及GPS技術(shù)相比，InSAR技術(shù)以其大面積同步測量、精度高和空間分辨率高等優(yōu)勢，成為地面沉降監(jiān)測的有力補(bǔ)充手段[5]。

國內(nèi)外學(xué)者將時(shí)間序列InSAR技術(shù)運(yùn)用在軌道交通地面沉降監(jiān)測中，并取得了良好的效果。文獻(xiàn)[6]利用高分辨率InSAR時(shí)序分析技術(shù)研究了上海地鐵10號(hào)線建設(shè)和運(yùn)營期地面沉降的時(shí)空變化特征。文獻(xiàn)[7]分別采用永久散射體干涉技術(shù)和相干目標(biāo)技術(shù)分析了在大型人工線性地物形變監(jiān)測中的應(yīng)用能力和局限性。文獻(xiàn)[8]利用覆蓋上海地區(qū)的33景Cosmo-SkyMed影像和PS-InSAR技術(shù)對(duì)不同建設(shè)時(shí)期地鐵線路的沉降趨勢情況進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[9]基于小基線(SBAS)技術(shù)開展廣州市某段區(qū)域地鐵沿線以及周邊區(qū)域地面沉降監(jiān)測。文獻(xiàn)[10]利用26景TerraSAR-X影像對(duì)上海市的城市軌道交通網(wǎng)路進(jìn)行了PS-InSAR沉降監(jiān)測，結(jié)果顯示，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(shí)期有一定關(guān)聯(lián)，早期建成的線路經(jīng)過長期的工后沉降及管理維護(hù)后整體沉降情況比較穩(wěn)定，而后期建成的線路穩(wěn)定性較差，沉降較明顯。

綜上所示，用于軌道交通地面沉降監(jiān)測的InSAR技術(shù)主要包括PS-InSAR及SBAS兩大類，其中PS-InSAR技術(shù)只能提取高相干點(diǎn)的相位變化，點(diǎn)位密度在建筑稀疏區(qū)域難以滿足監(jiān)測要求[11，12]，而SBAS技術(shù)同樣克服了時(shí)空去相干及大氣相位的限制，適用于大面積、長時(shí)間的地表形變的監(jiān)測[13]。由于寧波市軌道交通運(yùn)營里程較長，地表覆蓋類型多樣，為保證城區(qū)及郊區(qū)都有足夠密度的高相干點(diǎn)，本文以2016年12月～2019年12月的Radarsat-2 XF模式影像為數(shù)據(jù)源，基于SBAS技術(shù)開展寧波市軌道交通沿線地面沉降及綜合分析，為寧波市軌道交通安全運(yùn)營提供數(shù)據(jù)保障和有力支持。

2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源

本文收集了44景成像時(shí)間為2016年12月9日～2019年12月18日的Radarsat-2 XF模式降軌數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取周期約景/24天，像元大小分別為 2.66 m(距離向)和 3.03 m(方位向)，雷達(dá)波中心入射角為27.8°，覆蓋寧波市已運(yùn)營的軌道交通1號(hào)線、2號(hào)線、3號(hào)線、4號(hào)線，已運(yùn)營的里程分別為 46.15 km、33.95 km、38.26 km、35.95 km，開通運(yùn)營的時(shí)間分別為2014年、2015年、2019年，2020年。

2.2 數(shù)據(jù)處理

利用GAMMA軟件對(duì)Radarsat-2數(shù)據(jù)集進(jìn)行經(jīng)典SBAS數(shù)據(jù)處理，首先根據(jù)影像集的時(shí)間分布特征，選擇時(shí)間序列中間時(shí)刻(即成像時(shí)間為“20180614”)的影像為主影像，對(duì)SAR影像集進(jìn)行配準(zhǔn)與裁剪；設(shè)定時(shí)間基線閾值80天，空間基線閾值 300 m，生成96個(gè)干涉子集，對(duì)每個(gè)干涉像對(duì)進(jìn)行前置濾波，計(jì)算干涉相位，生成差分干涉圖；對(duì)經(jīng)過濾波的主輔影像差分干涉相位像元，采用5×5大小的窗體逐像元計(jì)算相干系數(shù)，通過平均相干系數(shù)閾值法提取SBAS高相干點(diǎn)目標(biāo)，并利用基于規(guī)則格網(wǎng)(mesh)的最小費(fèi)用流(MCF)方法，對(duì)相干系數(shù)大于0.85的像元進(jìn)行相位解纏，經(jīng)檢查解纏后的相位圖幅度值連續(xù)、無跳變的存在；根據(jù)非線性形變相位、大氣相位、噪聲相位的特點(diǎn)，選擇時(shí)間高通濾波、空間低通濾波對(duì)非線性形變進(jìn)行分離[14]，疊加線性形變部分后即可得到各高相干點(diǎn)的時(shí)間序列形變信息；最后，利用雷達(dá)波入射角，將雷達(dá)視線方向的形變值轉(zhuǎn)換為垂直向的沉降值。

2.3 定標(biāo)與精度評(píng)價(jià)

在InSAR解算初步完成后，利用近幾年寧波市地面沉降水準(zhǔn)復(fù)測數(shù)據(jù)開展定標(biāo)與精度評(píng)價(jià)。在覆蓋4條已運(yùn)營線路的矩形區(qū)域內(nèi)共有保存良好、成果連續(xù)可用的高等級(jí)水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)83個(gè)，在2016年12月、2018年12月分別進(jìn)行水準(zhǔn)連測。由于InSAR與水準(zhǔn)監(jiān)測成果相差一年，本文分別計(jì)算重合時(shí)段(即2016年12月～2018年12月)兩種測量手段獲取的累積沉降量，按照差異平均值對(duì)InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)。計(jì)算結(jié)果為：定標(biāo)值為 5 mm/a，定標(biāo)后兩者的差值的最大值為 15 mm/a，最小值為 -14.5 mm/a，比對(duì)中誤差m0=5.8 mm/a，對(duì)應(yīng)的沉降誤差分布圖如圖1所示，有81.5%的點(diǎn)沉降速率誤差在 ±6 mm/a以內(nèi)，所有點(diǎn)的沉降速率誤差均在3倍中誤差以內(nèi)，這表明兩種測量手段獲取的監(jiān)測成果相互吻合，InSAR技術(shù)用于軌道交通沿線地面沉降監(jiān)測的精度較高，成果可靠性較好。

圖1 83個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)與InSAR的沉降速率誤差分布圖

3 結(jié)果分析

3.1 空間分布特征

寧波市軌道交通沿線地面沉降速率圖如圖2所示。以三江口為中心的寧波市中心城區(qū)地面沉降速率較小，經(jīng)過該區(qū)域的4條線路沿線地面沉降相對(duì)穩(wěn)定，平均沉降速率多在 5 mm/a以內(nèi)，這表明近年來寧波市中心城區(qū)地面沉降綜合整治取得了一定的成效；從總體上看，1號(hào)線、2號(hào)線沿線地面沉降相對(duì)穩(wěn)定，3號(hào)線奉化區(qū)部分線路、4號(hào)線江北區(qū)部分線路沿線地面沉降比較明顯，平均沉降速率多在 10 mm/a～20 mm/a。

圖2 軌道交通沿線200 m高相干點(diǎn)目標(biāo)地面沉降速率圖

圖2顯示，軌道交通沿線地面沉降存在明顯的空間差異性，同一行政區(qū)內(nèi)不同線路的沉降特征也有差異。為分析軌道交通站點(diǎn)周邊的沉降特征，直觀了解其空間變化規(guī)律，本文以軌道交通線路里程為橫坐標(biāo)、沉降量為縱坐標(biāo)，按照 200 m的間距取離散點(diǎn)，繪制4條已運(yùn)營線路地面沉降縱向剖面線圖如圖3、圖4所示。

圖3 寧波市軌道交通1號(hào)線、2號(hào)線沿線地面沉降速率剖面圖

圖4 寧波市軌道交通3號(hào)線、4號(hào)線沿線地面沉降速率剖面圖

綜合圖2～圖4可知，各線路沿線主要的地面沉降區(qū)域包括：

(1)1號(hào)線世紀(jì)大道到寶幢站，沉降區(qū)內(nèi)最大沉降速率為 13.8 mm/a，平均沉降速率為 9.6 mm/a，沉降集中分布在東部新城-五鄉(xiāng)段；

(2)2號(hào)線孔浦站到寧波大學(xué)站，沉降區(qū)內(nèi)最大的地面沉降速率為 12.5 mm/a，平均沉降速率為 8.7 mm/a，該區(qū)域跨度相對(duì)較短，在路林站附近沉降比較明顯；

(3)3號(hào)線鄞州區(qū)政府站到金海路站，沉降區(qū)內(nèi)最大的地面沉降速率為 17.1 mm/a，平均沉降速率為 9.7 mm/a，沉降區(qū)跨度較長，以奉化區(qū)部分線路的沉降最為顯著；

(4)4號(hào)線慈城站至麗江路站、矮柳站到東錢湖站具有帶狀沉降現(xiàn)象發(fā)生，最大沉降速率分別為 18.4 mm/a、17.7 mm/a，平均沉降速率分布為 11.0 mm/a、10.0 mm/a，該區(qū)域沉降分成兩段，影響范圍廣，沉降速率也比較大。

綜上所述，在影像的監(jiān)測周期內(nèi)，處在運(yùn)營期的1號(hào)線、2號(hào)線沿線地面沉降速率及影響范圍，比處在施工期的3號(hào)線、4號(hào)線要大，這與秦曉瓊[10]等的研究結(jié)果是一致的。

3.2 形變梯度分析

當(dāng)軌道交通地表面沉降速率基本各處相同，則就整體而言對(duì)軌道運(yùn)營安全性威脅不大，但當(dāng)軌道貫穿于兩種或多種變化的沉降速率區(qū)域時(shí)，便很可能造成危險(xiǎn)[15]。因此，本文在沉降速率分析的基礎(chǔ)上，引入形變梯度以分析區(qū)域的不均勻沉降，計(jì)算公式如下：

(1)

式中，gradi為i點(diǎn)形變梯度；Di為i點(diǎn)處的形變值；Di+1和Di-1分別為i后一點(diǎn)和前一點(diǎn)形變值；Si+1，i-1為i后一點(diǎn)和前一點(diǎn)之間的距離。提取形變梯度大于 0.1 mm/m的點(diǎn)，并繪制成圖。

根據(jù)“DZ/T 0286-2015地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估規(guī)范”，地面沉降速率大于 30 mm/a的為“強(qiáng)發(fā)育”，10 mm/a～30 mm/a之間的為“中等發(fā)育”，小于 10 mm/a的為“弱發(fā)育”，考慮到中等及以上發(fā)育的沉降危害較大，本文以累積沉降量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)沉降比較明顯的軌道交通3號(hào)線、4號(hào)線中沉降速率大于 10 mm/a的區(qū)域進(jìn)行形變梯度分析。

如圖5(a)所示，3號(hào)線大梯度形變點(diǎn)分布在大通橋、朝陽站、進(jìn)琳站、金海路站附近，其中最大的形變梯度在金海路站附近，形變梯度為 0.24 mm/a；圖5(b)中，4號(hào)線大梯度形變點(diǎn)分布在長興路、洪大路、金達(dá)南路附近，其中形變梯度最大的點(diǎn)分布在金達(dá)南路站附近，形變梯度為 0.21 mm/a。

圖5 軌道交通3號(hào)線、4號(hào)線形變梯度較大的點(diǎn)位空間位置

進(jìn)一步分析可知，地面沉降速率圖和形變梯度中吻合較好，但也存在著一定的差異：①沉降速率較大的區(qū)域(如3號(hào)線近琳站至金華路站、4號(hào)線矮柳至南高教園站)的形變梯度并不明顯，表明該線路沉降情況相對(duì)一致，屬于整體性沉降；②沉降速率較小的區(qū)域(如軌道交通3號(hào)線中興大橋南站至兒童公園站)形變梯度變化也不大，表明該線路沉降情況相對(duì)穩(wěn)定；③沉降速率較小的區(qū)域(如3號(hào)線大通橋站、朝陽路站)形變梯度變化較大，表明該區(qū)域存在不均勻的差異性形變。

4 結(jié) 論

本文以Radarsat-2 XF模式影像為數(shù)據(jù)源，采用SBAS技術(shù)開展寧波市軌道交通4條已運(yùn)營線路沿線地面沉降監(jiān)測，結(jié)合高精度水準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)與精度評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上從沉降速率剖面圖、形變梯度兩個(gè)角度開展地面沉降綜合分析。監(jiān)測結(jié)果顯示：以三江口為中心的寧波市老城區(qū)地面沉降速率較小，4條線路沿線地面沉降情況相對(duì)穩(wěn)定；在三江口核心區(qū)以外，各線路沿線均有不同程度的沉降發(fā)生，最大沉降速率為 18.4 mm/a，位于4號(hào)線官山河站附近；通過對(duì)形變速率較大、沉降影響范圍較廣的3號(hào)線、4號(hào)線進(jìn)行形變梯度分析可知，在一些形變速率較小的區(qū)域，出現(xiàn)了形變梯度較大的情況，表明該區(qū)域存在不均勻沉降，建議有關(guān)部門關(guān)注重點(diǎn)線路周邊的不均勻沉降現(xiàn)象，結(jié)合InSAR和水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)，強(qiáng)化安全防治，降低城市軌道交通建設(shè)及安全運(yùn)營的風(fēng)險(xiǎn)。