基于InSAR技术对地铁沿线地表沉降监测方法研究.pdf
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1、国土与自然资源研究62TERRITORY&NATURALRESOURCESSTUDY文章编号:10 0 3-7 8 53(2 0 2 3)0 5-0 0 6 2-0 5基于InSAR技术对地铁沿线地表沉降监测方法研究陈 12,赵俊三 1,2,李 坤 1,2(1.昆明理工大学国土资源工程学院,云南昆明6 50 0 9 3;2.云南省高校自然资源空间信息集成与应用科技创新团队,云南昆明6 50 2 11)摘要:为探究时序InSAR技术对地铁沿线地表的沉降监测方法的适用性,以昆明地铁三号线和六号线为例,基于30 景覆盖昆明大市的 sentinel-1数据,应用PS-InSAR和SBAS-InSAR技
2、术对地铁地表沿线50 0 m范围的区域进行沉降监测,对形变量大于1mm/y的沉降点进行统计分析,并对两种技术的结果进行对比验证分析。结果表明,两种时序InSAR技术都可以很好的表现地铁沿线地表沉降在空间上的分布,可对已竣工完成正在运营的地铁进行高时间密度的监测分析,对地铁线路及其周边设施的运营维护提供数据支持。关键词:PS-InSAR;城市地表;形变监测;Sentinel-1中图分类号:TP319doi:10.16202/ki.tnrs.2023.05.013Research on Monitoring Method ofSurface Deformation along MetroBased
3、 on InSAR TechnologyChen Kel,Zhao Junsan2,Li Kun?(1.Faculty of Land Resources Engineering,Kunming University ofScience and Technology,Kunming Yunnan 650093,China;2.Spatial Information Integration Technology of NaturalResources in Universities of Yunnan Province,Kunming Yunnan 650211,China)Abstract:I
4、n order to explore the applicability of sequential InSARtechnology to the surface settlement monitoring method along thesubway,taking Kunming Metro Line 3 and line 6 as examples,based on the sentinel-1 SLC data of 30 scenes covering Kunming,PS-InSAR and SBAS-InSAR technology are used to monitor thes
5、ettlement of the area within 500 m along the subway surface,andthe settlement points with shape variable greater than 1 mm/y arestatistically analyzed,the results of the two technologies arecompared and verified.The results show that the two time seriesInSAR technologies can well show the spatial di
6、stribution of groundsettlement along the subway,monitor and analyze the completed andoperating subway in high time density,and provide data support forthe operation and maintenance of metro lines and their surroundingfacilities.Key words:PS-InSAR;urban surface;0引言随着国内经济的高速腾飞,城市化的迅猛推进,轨道交通成为了缓解城市交通压力
7、的重要一环,越来2023 No.5越多的城市开始建设地铁,与此同时,大规模的工程建设,地下水的开采,地质活动等因素都会产生地形的沉降形变,地面沉降危害日益受到人们的关注。轨道交通沿线的沉降关乎人们的生命财产安全,因此进行实时沉降监测很有必要。传统的形变监测手段,虽能达到极高的精度,但是无法做到大范围全天候以及较低的人力物力成本,已经无法满足我国快速发展的轨道交通现状。目前时序InSAR技术已趋于成熟,可对地表形变进行大范围全天候的较短时间间隔的监测,并且监测精度能达到毫米级别2-4。本文将用PS-InSAR技术对昆明市的地铁沿线地表进行沉降监测,并用SBAS-InSAR技术对结果进行对比验证,
8、从而建立一个可靠的地铁沿线地表沉降监测方法。1研究区域概况及数据说明1.1研究区概况昆明地处云贵高原中部,滇中盆地东部,平均海拔为19 0 0 m,具有北高南低的地势,地质构造较为复杂,地基软弱,年均降水量在8 0 0 9 0 0 mm左右,地质灾害较为频发5。昆明地铁3号线、6 号线一期于2 0 17年8 月2 9 日开启试运营,全长40.36 8 km(3号线为文献标识码:A22.35km,6 号线1期为18.0 18 km),所选的研究区域为地铁沿线50 0 m范围。1.2数据说明研究区数据为30 景Sentinel-1ASLC及对应精密轨道数据,参数如表1所示,平均人射角为36.9,距
9、离向分辨率为9.318 2 m,方位向分辨率为13.9 7 35m,所选极化方式为VV,监测时间为2 0 18 年9 月至2 0 2 1年2 月,因为 sentinel-1A单星的重访周期为12 d,所选取的影像数据时间间隔在2 4d至36 d之间,DEM使用的是NASA和METI共同发布的ASTERGDEMV3,用于获得已知参考地形及去除地平相位。2基本原理及数据处理2.1 时序 InSAR 基本原理InSAR(In t e r f e r o me t r i c Sy n t h e t i c A p e r t u r e R a d a r,合成孔径雷达千涉)技术,是雷达通过从不同
10、位置获得同一地区的 SAR影像,将其所包含的相位信息进行干涉处理,可反算出地表的地形信息和形变信息,其可反映地表形变精度与电磁波长相位有关,因此形变监测精度可达到毫米级。差分干涉解算地形变化原理如式(1)所示:Pin=Ptpogaphy+P movemant+P atamoephare+P noise式中,Pm为差分相位;Piogly是地形相位;Pamghanedeformation monitoring;Sentinel-1是大气相位;mnie是噪声相位。地形相位可通过引人DEM,通过二次差分法进行去除,大气相位和噪声相位可通过相应滤波操作进行去除,从而最终解算获取形变相位。时序InSAR技
11、术通过多时相SAR图像干涉获取(1)陈辑等基于InSAR技术对地铁沿线地表沉降监测方法研究表1Sentinel-1A影像数据参数编号时间极化方式升/降轨空间基线(m)12018.09.1822018.10.1232018.11.1742018.12.1152019.01.1662019.02.0972019.03.0582019.04.102019.05.169102019.06.09112019.07.15122019.08.08132019.09.13142019.10.07152019.11.12162019.12.06172020.01.11182020.02.16192020.03.
12、11202020.04.16212020.05.10222020.06.15232020.07.09242020.08.14252020.09.07262020.10.13272020.11.06282020.12.12292021.01.05302021.02.10地表形变随时间变化信息的技术。目前主流的时序InSAR 技术主要有 PS-InSAR 和 SBAS-InSAR。PS-InSAR由 Ferretti 等提出,是通过从各个干涉影像对中提取相干性较高的PS(Pe r s i s t e n t Sc a t t e r e r s,永久散射体)点,来进行对地面的沉降监测,城市中的地表
13、建筑可向雷达提供稳定的高反射强度的永久散射体点。一般使用振幅离差指数法提取PS点。0,CA=DAmA式中,DA为振幅离差指数;Q,为相位标准差;QA为时序振幅标准差;ma为时序振幅均值。振幅离差指数越小所对应的像元就越稳定,小于所定义的阈值时,就能确定是所需的PS点。SBAS-InSAR由Berardino等8 提出,是通过连接短基线SAR影像得到短基线SAR影像集合,使每个小集合内的基线较小,这样就可以解决因为长基线所造成的影像间无法干涉而独立的影像的减少,从而提升干涉像对的数量和质量。2.2PS-InSAR处理方法2.2.1生成连接图生成的连接图如图1所示,选取了2 0 19 年10 月的
14、影像为超级主影像,最大空间基线为12 4.6 2 5m,各对影像的时间基线与空间基线均在阈值范围内,2 9 个63100VVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescending
15、VVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescendingVVDescending6.890 5647.325 510.085328.696 3-8.88216-15.62124.625-55.966 963.203 896.903 537.47127.965 332.892.8070.488 2-33.630 788.585 7-36.280 768.700 3-12.371 7-69.515 931.3815-65.3396.2332
16、36.871 453.07445.057350.152.9-49.580 4116.011相对位置(m)-50-100,1-Jan-18干涉像对均可以良好地进行干涉处理。2.2.2 干涉工作流将各个像对进行配准并生成干涉像对,然后进行去平和振幅离差指数的计算,得到永久散射体点。2.2.3PS第一次形变反演使用线性模型对差分干涉像对进行形变速率和残余高程信息的估算,对相干性高的像元进行计算。2.2.4PS第二次反演对差分干涉图中的大气信息进行估算,以此得到去除大气相位后的更准确的形变速率。2.2.5地理编码将所有相关成果投影到地图系统中(如地形形变速率,高度残差等)。2.3SBAS-InSAR处
17、理方法2.3.1生成连接图将影像进行干涉配对,如有n景影像,则最多能配(n-1)对,选择其中一景数据为超级主影像,所有影2像都会与之进行配准。筛选掉相干性较小的像对,为之后的干涉工作流做准备。生成的连接图如图2 所示,显示了影像的获取时间和各景影像相对于超级主影像相对位置的关系图,其中选取2 0 19 年11月的影像为超(2)级主影像。100gS5017TIT相对位置(m)0-50-100-150-200iiiE1-Jan-181-Jan-19获取日期图2 SBAS时空基线图2.3.2干涉工作流将所有配对完成的像对生成干涉图,然后进行滤波(消除因地物散射,配准误差等造成的大量噪声信500232
18、1520221-Jan-191-Jan-20获取日期图1PS时空基线图281-Jan-2031-Dec-202831-Dec-201-Jan-2217TITI77TTT1-Jan-2264号),去除地平效应和相位解缠。2.3.3轨道精炼和重去平去除解缠后存在的残余相位,通过选定地面控制点进行修正。2.3.4 SBAS第一次反演进行第一次形变速率和残余地形的演算,通过第二次相位解缠对干涉图修正。2.3.5SBAS第二次反演计算时间序列上的位移,并进行大气滤波,减少大气对干涉相位的影响。3沉降监测结果和对比分析研究区范围内PS-InSAR处理结果的年均沉降形变速率如图3所示,大部分PS点的平均沉降
19、速率集中在-9.8 2 2.37 mm/a,在相性阅值为0.7 5设置下得到6 7 54个PS点形变速率超过-10 mm/a,其中最大的沉降形变速率达到-57.9 5 mm/a。平均沉降量(mm/a)57.9535.6135.6123.32-23.3215.13-15.139.929.926.193.591.726.193.5906陈辑等基于InSAR技术对地铁沿线地表沉降监测方法研究N人图例营线期范围地线露12-1.720.14ikm0.14-2.372.3737图3PS沉降监测结果快,下沉趋势较为稳定,呈现匀速下沉状态,下沉范围较小,见图5。-10-20mm-30-40-50OCT8-10
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