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引文格式:郭山川ꎬ侯湖平ꎬ张绍良ꎬ等.时序ＩｎＳＡＲ在城市地铁工程区形变监测中的应用[Ｊ].测绘通报ꎬ２０１７(８):９２￣９９.ＤＯＩ:１０.１３４７４/ｊ.ｃｎｋｉ.１１￣２２４６.２０１７.０２５８.时序ＩｎＳＡＲ在城市地铁工程区形变监测中的应用郭山川ꎬ侯湖平ꎬ张绍良ꎬ米家鑫ꎬ尚志敏(中国矿业大学环境与测绘学院ꎬ江苏徐州２２１１１６)摘要:地铁建设会引发城市地表形变灾害ꎬ而传统的合成孔径雷达差分干涉测量(Ｄ￣ＩｎＳＡＲ)难以实现城市地铁工程区域的精细测量ꎮ本文利用ＴｅｒｒａＳＡＲ￣Ｘ高分辨率数据ꎬ采用ＰＳ￣ＩｎＳＡＲ和ＳＢＡＳ￣ＩｎＳＡＲ方法对徐州地铁１号线东部工程场地进行了形变监测ꎬ获取了该区域２０１６年６月１５日—２０１６年９月１１日期间的形变时序图ꎮ通过与人工角反射器布设点的水准测量数据对比分析ꎬ发现利用两种时序ＩｎＳＡＲ测量方法得到的地表形变结果与水准测量结果非常一致ꎬ形变误差均在１ｍｍ以内ꎻ而ＳＢＡＳ￣ＩｎＳＡＲ探测地表形变的敏感性低于ＰＳ￣ＩｎＳＡＲꎮ结果表明ꎬ利用高分辨率ＳＡＲ影像监测城市地铁形变具有亚毫米级的测量精度和米级的定位能力ꎬ同时证明了时序ＩｎＳＡＲ分析技术在城市地铁工程形变监测应用中的广阔前景ꎮ关键词:地表形变ꎻ时序ＩｎＳＡＲꎻ人工角反射器ꎻ精细监测ꎻ地铁建设中图分类号:Ｐ２５８ 文献标识码:Ａ 文章编号:０４９４￣０９１１(２０１７)０８￣００９２￣０８ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｕｌｔｉ￣ｔｅｍｐｏｒａｌＩｎＳＡＲｉｎＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆＵｒｂａｎＳｕｂｗａｙＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＡｒｅａＧＵＯＳｈａｎｃｈｕａｎꎬＨＯＵＨｕｐｉｎｇꎬＺＨＡＮＧＳｈａｏｌｉａｎｇꎬＭＩＪｉａｘｉｎꎬＳＨＡＮＧＺｈｉｍｉｎ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅ＆ＳｐａｔｉａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｃｓꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｕｚｈｏｕ２２１１１６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｔｈａｓｂｅｅｎｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｓｕｂｗａｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｗｉｌｌｃａｕｓｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｕｒｂａｎｓｕｒｆａｃｅ.Ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｐｅｒｔｕｒｅｒａｄａｒ(Ｄ￣ＩｎＳＡＲ)ꎬｈｏｗｅｖｅｒꎬｃａｎｈａｒｄｌｙａｃｈｉｅｖｅａｐｒｅｃｉｓｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｉｎｕｒｂａｎｓｕｂｗａｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｒｅａ.ＡｄｏｐｔｉｎｇＴｅｒｒａＳＡＲ￣ＸｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｄａｔａꎬｔｈｅｇｒｏｕｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅａｓｔｅｒｎｐａｒｔｏｆＸｕｚｈｏｕＭｅｔｒｏＬｉｎｅ１ｉｓｍｏｎｉｔｏｒｅｄｂｙｕｓｉｎｇＰＳ￣ＩｎＳＡＲａｎｄＳＢＡＳ￣ＩｎＳＡＲｍｅｔｈｏｄｓꎬａｎｄｔｈｅｍｕｌｔｉ￣ｔｅｍｐｏｒａｌｄｉａｇｒａｍｏｆｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍＪｕｎｅ１５ꎬ２０１６ｔｏＳｅｐｔｅｍｂｅｒ１１ꎬ２０１６ｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ.ＢｙａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｔｈｅｄａｔａｆｒｏｍｌｅｖｅｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗｈｉｃｈｕｓｉｎｇａｒｔｉｆｉｃｉａｌｃｏｒｎｅｒｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓｉｔｅｔｏｖａｌｉｄａｔｅꎬｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅｔｗｏＩｎＳＡＲｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｌｅｖｅｌｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｇｒｅａｔｌｙꎬａｎｄｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｒｒｏｒｓａｒｅｗｉｔｈｉｎ１ｍｍꎻｗｈｉｌｅｔｈｅｓｅｎｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆＳＢＡＳ￣ＩｎＳＡＲｔｏｄｅｔｅｃｔｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＰＳ￣ＩｎＳＡＲ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｕｒｂａｎｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｉｔｈｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎＳＡＲｉｍａｇｅｓｈａｓｓｕｂ￣ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｍｅｔｅｒ￣ｌｅｖｅｌｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｂｉｌｉｔｙ.Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｉｎｔｅｎｓｅｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｏｒａｂｒｏａｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉ￣ｔｅｍｐｏｒａｌＩｎＳＡＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｕｒｂａｎｓｕｂｗａｙｐｒｏｊｅｃｔ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｇｒｏｕｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎꎻｍｕｌｔｉ￣ｔｅｍｐｏｒａｌＩｎＳＡＲꎻａｒｔｉｆｉｃｉａｌｃｏｒｎｅｒｒｅｆｌｅｃｔｏｒꎻｆｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒꎻｓｕｂｗａｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ 收稿日期:２０１７￣０４￣１９基金项目:江苏省煤基ＣＯ２捕集与地质储存重点实验室开放基金(２０１５Ａ０１)作者简介:郭山川(１９９２—)ꎬ男ꎬ硕士生ꎬ主要研究方向为ＩｎＳＡＲ变形监测ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｇｓｃ＠ｃｕｍｔ.ｅｄｕ.ｃｎ通信作者:张绍良ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｓｌｚｈａｎｇ＠ｃｕｍｔ.ｅｄｕ.ｃｎ 我国正在大力发展城市地铁工程ꎬ依据地铁发展规划ꎬ中国地铁总里程将在２０２０年达到６０００ｋｍꎬ城市地铁工程的地下隧道、桥梁及地基工程将使应力平衡状态的地质环境遭到破坏ꎬ导致工程建设区发生地表形变[１￣２]ꎮ为防控地表形变造成影响和危害ꎬ亟须建立有效的城市地铁建设工程区形变监测和预警系统ꎮ人口密集、商业繁华的地铁建设工程区更对形变监测技术提出了高精确、高效和时空全覆盖的要求ꎮ近年来ꎬ新兴的合成孔径雷达差分干涉测量(ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｐｅｒｔｕｒｅｒａｄａｒꎬＤ￣ＩｎＳＡＲ)以全天候、全天时、高分辨率和连续空间覆盖的优势在地表形变测量中得到广泛关注[３￣６]ꎮ但是传统Ｄ￣ＩｎＳＡＲ技术由于失相干、大气延迟相位等因素影响ꎬ很难实现高精度测量ꎬ而且单次形变结果也难以说明区域地表形变的时间演化情况[７]ꎮ为解决这一难题ꎬ国内外学者开展了深入的研究ꎬ以永久散射体干涉测量[８](ｐｅｒｓｉｓｔｓｃａｔｔｅｒｅｒｓＩｎＳＡＲ)和小基线集干涉测量[９￣１０](ｓｍａｌｌｂａｓｅｌｉｎｅｓｕｂｓｅｔＩｎＳＡＲꎬＳＢＡＳ￣ＩｎＳＡＲ)为代表的时序ＩｎＳＡＲ分析方法的发２９测 绘 通 报 ２０１７年 第８期展ꎬ以及高分辨率ＳＡＲ卫星的成功运行ꎬ极大地增强了Ｄ￣ＩｎＳＡＲ技术在城市地面沉降中实现精确监测的能力ꎮ罗三明等采用２７景ＥＮＶＩＳＡＴ雷达数据ꎬ利用相干点目标ＩｎＳＡＲ技术进行时序处理ꎬ获取了北京及周边地区２００６—２０１０年地表形变场ꎬ研究结果探测了北京双桥沉降中心区的平均沉降速率为－２７.１９ｍｍ/ａ[１１]ꎮ朱叶飞等采用２１幅ＥＲＳ￣２ＳＡＲ数据ꎬ利用ＰＳ￣ＩｎＳＡＲ技术测量了苏州地区１９９５年１２月３１日—２０００年１２月２４日间的地表沉降值ꎬ并结合地面水准测量数据的进行了验证分析ꎬ验证结果表明了ＰＳ￣ＩｎＳＡＲ技术监测数据的可靠性[１２]ꎮＳａｎｄｒａＩ.Ｎ.Ｈｅｌｅｎｏ等基于ＰＳ￣ＩｎＳＡＲ技术ꎬ利用１９９２—２００３年期间５５景ＥＲＳ￣１/２数据ꎬ揭示了里斯本地区的沉降区域之一为铁路周边区域ꎬ探究了其产生沉降的原因ꎬ并通过比较ＧＰＳ数据证实了ＰＳ￣ＩｎＳＡＲ技术的准确性和科学性[１３]ꎮ徐小波等将ＣＲ￣ＩｎＳＡＲ技术、ＰＳ￣ＩｎＳＡＲ技术应用到研究西秦岭北缘断裂带中断的微小形变ꎬ成功证明了ＣＲ点由于其自身的高稳定特性ꎬ对整个结算网络起到了很好的整体控制作用ꎬ能够保证解算结果正确性[１４]ꎮ综上ꎬ尽管相关学者已证明了时序ＩｎＳＡＲ分析技术监测城市地表形变的科学性和可靠性ꎬ但是其研究结果尚未达到如今城市地铁建设工程区形变监测高精度和精定位的要求ꎮ而具有精确测量微小形变能力和精准定位能力的短波长、高分辨率ＳＡＲ数据在城市地铁工程形变监测的研究却很少ꎮ因此ꎬ本文采用５幅２０１６年６月１５日—２０１６年９月１１日间的高分辨率ＴｅｒｒａＳＡＲ￣Ｘ数据ꎬ结合布设在试验场地的人工角反射器ꎬ分别利用ＰＳ￣ＩｎＳＡＲ、ＳＢＡＳ￣ＩｎＳＡＲ技术的原理与方法对徐州市地铁工程场地进行形变监测ꎬ并将监测结果与水准测量数据进行对比分析ꎬ以此评价Ｄ￣ＩｎＳＡＲ技术在城市地铁工程形变监测应用中的精准性ꎮ１ 试验方法１.１ 时序ＩｎＳＡＲ分析方法概述时序ＩｎＳＡＲ分析技术是在传统ＩｎＳＡＲ技术基础上发展起来的ꎬ通过对多时序ＳＡＲ数据的相位统计特征进行参数估计ꎬ可以有效减小干涉相位中的大气延迟、ＤＥＭ、低相干等因素带来的误差ꎮ时序ＩｎＳＡＲ通过近十几年的快速发展ꎬ逐步形成了ＰＳ￣ＩｎＳＡＲ、ＳＢＡＳ￣ＩｎＳＡＲ、ＣＴ￣ＩｎＳＡＲ、ＴＣＰ￣ＩｎＳＡＲ和Ｓｔａｃｋｉｎｇ等技术体系ꎮ作为时序ＩｎＳＡＲ技术分支之一的ＰＳ￣ＩｎＳＡＲ是基于永久散射体的点时序分析测量技术ꎬ最早由意大利学者Ｆｅｒｒｅｔｔｉ等在２００１年提出[８]ꎮ由于桥梁、房屋、围墙、岩体等地物的散射特性较好ꎬ对ＳＡＲ信号的反射作用较强且回波信号具有较高的信噪比ꎬ能在相当长的时间内保持较高质量的相干性ꎮＰＳ￣ＩｎＳＡＲ方法的基本思路为:获取研究区内的Ｎ＋１幅ＳＡＲ影像ꎬ基于小基线思想选取１幅影像为主影像(ｍａｓｔｅｒ)和Ｎ幅从影像(ｓｌａｖｅ)ꎬ配准、差分后形成Ｎ幅差分干涉图ꎬ然后利用幅度信息[８]或相位信息[１５]选取ＰＳ点ꎬ通过放弃失相干严重的像元并对稳定的像元集进行时间序列分析ꎬ可以最大限度地减弱时空失相干和大气延迟影响ꎬ进而得到整个研究区的地表形变信息ꎮ经过角反射器的试验验证ꎬＰＳ￣ＩｎＳＡＲ的形变测量精度可以达到亚毫米级[１６]ꎮＳＢＡＳ￣ＩｎＳＡＲ同样是时序ＩｎＳＡＲ技术分支之一ꎬ是基于短基线原理的时序分析测量技术ꎬ最早由Ｂｅｒａｒｄｉｎｏ提出[９]ꎮＳＢＡＳ的基本原理是将所有获取的ＳＡＲ数据根据空间基线大小组成数个集合ꎬ集合内空间基线小ꎬ集合间空间基线大ꎬ利用最小二乘法求解子集合的相位信息ꎬ利用矩阵奇异值分解法联合求解整个监测时间内的相位信息ꎬ差分相位进行空间低通和时间高通滤波去除大气延迟相位和部分轨道误差影响ꎬ建立Ｄｅｌａｕｎａｙ三角网确定解缠参考点ꎬ利用最小费用流算法(ＭＣＦ)解决不规则格网的相位解缠问题ꎬ从而获取研究区地表形变时序结果[１７]ꎮＳＢＡＳ￣ＩｎＳＡＲ主要用于监测形变速率缓慢、形变量较小的持续形变场ꎮ本文在利用ＰＳ￣ＩｎＳＡＲ和ＳＢＡＳ￣ＩｎＳＡＲ技术监测地铁形变时ꎬ侧重点是通过对比分析测量周期内时序ＩｎＳＡＲ测量和水准测量结果ꎬ评价两种时序ＩｎＳＡＲ分析技术监测结果的准确性和精确性ꎮ而城市地区的人工建筑物对雷达回波具有较强的反射及回波信号具有较高的信噪比ꎬ因此ＳＡＲ干涉图中象元的相干性较高ꎮ因此ꎬ由于试验目的并没有研究城市地形形变年变化速率ꎬ且影像对之间时空基线短、相干性高ꎬ５景ＴｅｒｒａＳＡＲ￣Ｘ数据是满足试验研究需要的ꎮ１.２ 人工角反射器作用与布设由于角反射器具有空间定向反射特性ꎬ以任意方向入射的电磁波经过角反射器的反射后ꎬ都将保持与入射方向平行的方向返回ꎬ以此提高角反射器布设点的相干性ꎬ因此ꎬ人工角反射器可以有效减小传统ＩｎＳＡＲ技术由失相干造成的误差ꎬ增强在低相干区域监测地表微小形变的能力[１８]ꎮ同时在人工角反射器点布设水准测量点ꎬ通过对两者测量数据的对比分析ꎬ能更充分地说明ＩｎＳＡＲ测量结果的可３９２０１７年 第８期 郭山川ꎬ等:时序ＩｎＳＡＲ在城市地铁工程区形变监测中的应用靠性和精确性ꎮ徐州市快速轨道交通工程项目在研究区域定期进行水准测量监测ꎬ试验在水准测量点布设了４个人工角反射器ꎬ主要是为了加强雷达回波信号ꎬ提高相干性ꎬ减小误差影响ꎮ根据ＴｅｒｒａＳＡＲ￣Ｘ卫星经过研究区域的飞行方向和雷达探测信号入射角ꎬ以及Ｘ波段数据波长短等属性ꎬ采用铝制板材ꎬ设计