论文推荐|秦晓琼：高分辨率PS-InSAR在轨道交通形变特征探测中的应用

    为了确保城市轨道交通的安全运营和可持续发展，将高分辨率PS-InSAR技术引入城市轨道交通的形变监测领域。以上海为例，分析了城市轨道交通网络专题的形变特征。首先，利用26景TerraSAR-X影像在上海开展高分辨率PS-InSAR沉降精细测量，得到轨道交通网络整体的沉降格局；然后，针对不同建成时期和建设形式的路段，分类探讨其形变特性及原因；最后，进行测量结果的精度验证。分析结果表明，快速的城市化发展建设已成为上海轨道交通沿线主要的沉降原因；不同建成时期和建设形式的路段表现出不同的形变特征，早期建设路段比晚期建设路段更稳定，高架路段比地下路段沉降速率更小；PS-InSAR与水准数据保持很好的一致性。证实了高分辨率PS-InSAR技术在城市轨道交通形变监测、管理维护和预警方面具有一定的可行性，可以为城市公共交通的规划和建设提供决策支持。

城市轨道交通运量大、速度快，充分利用城市地下和地上空间，已成为各大城市迅猛发展的一种骨干公共交通系统。上海市轨道交通网络自1995年第一条线路正式运营至今，全网运营线路总长度达548 km，车站共计337座。然而，在上海地下管线复杂、地表构筑物纵横交错的软土地基环境中建造长距离的轨道交通线路，容易破坏工程地质环境，造成严重的经济损失和不良社会影响^[]。由于过度开采地下水、地表建筑物和行车荷载增加等形成的区域沉降漏斗和沉降带，容易产生严重的纵向不均匀变形，直接威胁上海市轨道交通的运营安全^[]。

城市轨道交通通常呈线性走向分布，在设计、施工和运营的监测过程中具有距离长、跨度大等特点，而常规形变测量技术如水准测量、全球定位系统等，主要依赖离散的监测站点重复采集数据，难以精确确定沿线大跨度、近实时的形变趋势。雷达差分干涉测量(D-InSAR)技术可以远程监测地球表面形变，监测范围大、空间分辨率高、重复周期稳定，观测精度可达厘米级^[-]。针对D-InSAR时空失相干和大气效应等限制，文献[6—8]提出的永久散射体技术(PS-InSAR)监测精度可达毫米级，并在地面沉降监测中取得了许多重要的研究成果，表现出良好的应用前景。同时，高分辨率TerraSAR-X数据使得PS-InSAR技术可以持续监测城市轨道交通网络的形变细节，为区域轨道交通沿线的时空演变分析提供丰富的形变观测资料^[-]，有利于开展针对性的管理维护工作和有效的安全防护措施，对确保城市轨道交通网络的安全畅通具有重要的现实意义。

在前期对上海的研究中，文献^[]利用CTA方法获得了垂直形变精度优于5 mm的结果；文献^[]基于短时间序列SAR影像反演了主城区的沉降；文献^[]利用PS-InSAR技术对填海造陆地区的沉降进行了分析和验证；文献^[]利用小基线方法对迅速下沉的地物进行了时空分析；文献^[]利用高分辨率InSAR技术观测并分析了部分开挖隧道及高速公路沿线的沉降，文献^[]提出高质量选点算法，在上海地区有效排除了由于旁瓣效应引起的误选点。尽管前期已经开展了一些应用InSAR技术监测上海地区地面沉降的研究工作，但大多都集中在对中心城区整体沉降格局和重要沉降区域的分析，少有针对上海市轨道交通网络的专题沉降细节研究，更没有针对建成年限和建设形式进行深入分析。本文处理分析了2013—2014年上海主城区和浦东区的26景TerraSAR-X影像，着重分析了上海轨道交通网络沿线的沉降，分别从不同建成年限和建设形式两个方面探讨了路段的形变特征，并与水准测量结果进行精度验证。

本文统计分析了覆盖同一地区SAR影像集的相位和幅度信息，查找不受时间、空间去相干和大气相位影响的稳定PS点，并在每个PS点上建立相位模型，利用多幅干涉图的相位值构成方程组并迭代求解，最终获取毫米级的地表沉降场。同时，高分辨率X波段SAR数据使得PS-InSAR技术可以持续监测大型线状地物的形变细节，为提取城市轨道交通网络沿线的短周期微小形变提供了技术支持。

本次试验的主要步骤包括：差分干涉图的生成、PS形变监测结果的解算、城市轨道交通网络PS点的精选和提取^[]。

上海位于我国东部长江和黄浦江流入东海的入海口，大部分地区基岩面被厚约250~350 m的第四系松散土体覆盖，正常分布的填土以下，普遍分布一层厚2~3 m的褐黄色黏性土层，呈可塑状，其下部是淤泥质土，呈软塑状^[]，在其地下进行空间开发建设和工程运营，容易发生地面沉降。20世纪初以来上海市中心城区平均累计沉降大于0.6 m，最大累计沉降量接近3 m^[]，是上海目前面临的主要地质灾害之一。

随着经济的飞速发展，上海市轨道交通网络迅速扩张，至今全网运营线路总长度达548 km，还有很多交通线路正在建设，地铁车站基坑的最大尺寸约620.5 m×22.5 m，最大开挖深度超过40 m^[]。上海为典型的软土地基地区，地铁隧道在自重和车辆荷载作用下会出现过量变形，发生过早破坏甚至坍塌，加重城市安全运营的压力。受到地面沉降影响，上海近年来发生了多起轨道交通坍塌事故，如2003年轨道交通4号线隧道坍塌；2011年轨道交通16号线工地坍塌；2012轨道交通12号线工地坍塌等,造成了严重的伤亡和损失。

试验区内有2013—2014年的上海主城区(实线标记区)和浦东区(虚线标记区)共26景TerraSAR-X影像，覆盖范围如所示。

试验区内TerraSAR-X影像的空间覆盖范围

      由于X波段SAR数据获取的PS点密度很高，提取了上海轨道交通沿线整体的沉降速率分布格局，如所示。其中，彩色点表示沿线提取的PS点目标，颜色从蓝到红分别对应逐渐增大的平均沉降速率，橙色的三角点为本次试验所使用的水准验证数据的位置分布和编号。从中可以看出，目前上海的轨道交通线路主要集中在主城区，且整体表现出不同程度的沉降，西北杨浦区、宝山区等早期建成的地铁沿线保持较好的稳定性，沉降严重的路段主要集中在浦东区。浦东是上海近年来大力发展建设的区域，大面积频繁的地面基础工程施工和排水会破坏地基原有的应力平衡、切断含水层，导致地面的不均匀沉降及破坏，相对集中的建筑物荷载相互叠加也会加大区域沉降，从而影响区域内轨道交通线路的稳定性。这说明不断的城市化建设已经成为上海轨道交通沿线主要的沉降原因。

上海轨道交通网络沉降速率和水准数据分布图

    由于路基的固结时期、高度，桩基的土层分布、土强度等均影响到路基的稳定性，笔者在时间上按照不同的建成年限，在空间上按照不同的建设形式，对上海轨道交通沿线的沉降特征进行分类探讨。

      根据不同的建成年限，上海轨道交通线路可以划分为2010年以前建成的路段、2010—2014年建成的路段以及正在建设的路段，沿线沉降速率分布如所示。其中，为2010年以前建成通车的路段，大部分线路位于主城区黄浦江以西，基本处于稳定状态，沉降速率在-3~3 mm/a左右，少数路段在黄浦江以东，受到浦东新区2号线、12号线、13号线等轨道交通工程建设，以及面向上海世博会的大规模道路、桥梁和场馆建设影响，沉降速率相对较大，约-3~-9 mm/a；为2010—2014年间建成通车的路段，沉降路段主要集中在浦东，其他路段保持基本稳定；为观测期间正在建设的路段，受到自身及周围施工建设的影响，这些线路沿线的稳定性相对较差，整体的沉降大于已经建成的路段。

不同建成年限轨道交通线路沉降速率分布图

     在此基础上，进一步对上海多期建设的轨道交通2号线、13号线、8号线和16号线进行了具体分析，如所示。

轨道交通2号线、8号线、13号线、16号线沉降速率分布图

      为了全面评估InSAR技术解译的准确性和精度水平，本文采用上海市时间跨度为2013年8月至2014年10月期间，每月一次的水准测量数据与PS-InSAR结果的对比验证，二者的观测时间跨度和测量值分布的月份可以达到基本重合。两种形变结果的对比验证如所示。可以看出每个水准点的测量结果均与PS-InSAR监测结果保持很好的一致性，相差不超过3 mm/a，二者的平均误差为1.181 mm/a，标准差为1.337 mm/a，表明PS-InSAR技术应用于地面沉降监测可以达到毫米级的精度。

水准测量与InSAR反演的形变速率比较

PS-InSAR技术应用于城市轨道交通沉降监测领域，具有PS点密度大，覆盖范围广，干涉处理自动化程度高等优势。本文利用高分辨率TerraSAR-X影像获取了上海轨道交通网络沿线逐步发展的沉降，针对不同的建成年限和建设形式对上海轨道交通网络的沉降情况及原因进行了探讨，并与同时期水准测量结果进行精度验证。

对上海轨道交通沿线的沉降分析表明：①不同年限建成的轨道交通路段，其沉降程度有所不同，早期建成的路段稳定性较高，晚期建成的路段沉降速率较大；②不同建设形式的轨道交通路段表现出不同的沉降特征，高架路段稳定性较高，地下路段沉降速率较大。

综合上述分析，从不同建成时期或建设形式的总体结果来看，位于浦东新区的路段总体沉降比较明显，这与浦东新区的工程地质环境和新区建设息息相关。浦东新区地表浅层广泛分布的松散粘性土层属于海相沉积的欠固结土，不仅自身形变明显，更容易受外界作用影响使形变加剧。在其表面填筑路基或地下浅层进行空间开挖，以及车流量和周围密集居民地的动静荷载作用下，周围土体容易发生移动和固结压缩变形，导致地面沉降。因此，上海浦东新区快速的城市化发展建设和特殊的软土地质条件构成了轨道交通系统主要的沉降原因。

基于高分辨率TerraSAR-X影像的永久散射体干涉测量(PS-InSAR)技术可以成功应用于城市轨道交通网络的形变监测，并得到毫米级的监测精度。研究进一步拓展了该技术的应用，证实了它在城市地面和地下空间形变监测、管理维护和预警方面具有广阔的应用前景。

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秦晓琼¹, 杨梦诗¹, 王寒梅^2,3, 杨天亮^2,3, 林金鑫^1,2, 廖明生^1,2   

1. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079 ;
2. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072 ;
3. 上海市地质调查研究院，上海 200072

收稿日期：2015-08-27； 修回日期：2016-01-31

基金项目：国家自然科学基金重点项目(61331016)；湖北省自然科学基金重点项目(2014CFA047)；高分辨率对地观测系统重大专项(06-Y30B04-9002-13115)

第一作者简介： 秦晓琼(1991—)，女，博士生，研究方向为时间序列InSAR地表形变监测。 

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通信作者： 廖明生.

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