基于InSAR的城市群地表...监测与基础设施安全预警研究_李士林.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202203008开放科学（资源服务）标识码（OSID）基于 InSAR 的城市群地表沉降监测与基础设施安全预警研究李士林，黎 浩（中交第三公路工程局有限公司，北京100102）摘要：以长株潭城市群为研究对象，基于 InSAR 技术建立传感监测网，采用干涉相位差算法，选取稳定 PS 候选点构建拓扑网，分析城市群的整体沉降趋势，获得关键目标区域的延迟相位分析结果；采用数值仿真技术建立目标结构的数值模型，导入沉降数据，考虑结构自重、温度、车道荷载等因素分析其应力水平，并与规范容许值对比判定结构安全。结果表明：将 InSAR 技术与数值仿真技术相结合，可实现城市群地表沉降的大面积监测需要，还可为关键基础设施的安全预警提供新方法和新思路。关键词：城市桥梁；安全预警；InSAR 技术；基础沉降；数值仿真中图分类号：U411文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0025 06 0 引言目前，我国主要城市群处于快速建设和发展阶段，城市群建设引发的地形变化，如地下水开采、开挖地下管线或地铁轨道设施引起的地面下沉，往往导致原来稳定的城市基础设施出现质量隐患1-2。以长株潭城市群为例，该区域地质岩性相对复杂、活动断裂带分布，且存在地下水抽取活动，增大地表沉降风险，不但威胁城市基础设施安全，也增加了相关管理、养护部门的工作难度。因此，建立城市群地表沉降的监测网络、分析城市群的整体沉降趋势与关键基础设施周边地表的沉降信息、并建立城市基础设施的安全预警措施，对于城市基础设施的健康养护具有重要意义。作为城市交通基础设施中的关键节点，桥梁起到跨越河流、不良地质或满足其他交通需要的作用。基础是桥梁结构中与地面相接触的部分，承担了传递桥梁上部荷载的作用。为了确保桥梁结构安全，桥梁基础必须具有足够的强度和稳定性，其沉降值也应在容许范围之内3-5。传统的桥梁基础沉降监测手段，主要以人工对单个桥梁进行现场测量为主6-7。但长株潭城市群桥梁待检数量多，以人工检测为主的方式存在检测作业时间长、工作效率低、劳动强度大、涉及面域有限、数据处理慢等问题。此外，该方法通常还需封路封桥，影响了桥梁的正常运营，可能造成交通拥堵现象3。随着卫星雷达遥感数据源的不断丰富、数据质量的不断提升、算法研究的不断深入，雷达干涉测量技术的地表位移监测精度已经达到了毫米级，并在交通、能源、住建、水利、地质等领域等到了广泛的应用8-9。利用遥感技术进行桥梁的精细观测和桥梁周边大范围地表的沉降监测，具有覆盖范围广、成本低、不影响交通等优势，可以为现有的水准、GNSS 等现有桥梁沉降监测手段提供有益的补充10-11。本文以长株潭城市群为研究对象，结合遥感与有限元数值仿真技术，开展基于传感网的城市群地表沉降监测与基础设施安全预警研究，预期研究结果可实现城市群地表沉降的大面积监测需要，还可为关键基础设施的安全预警提供新思路、新方法，能够克服传统预警方法工作量大、实时性不足、影响交通等问题，并为城市群交通安全运营提供技术支撑。1 工程背景某市政桥梁位于湖南省湘潭市，是城市主干道的重要组成部分，也是长株潭三市三角内环的关键节点。于 2016 年底开始建设，2017 年 7 月完成通车，全长115.00 m，为33.50 m+48.00 m+33.50 m 连续梁，设计行车速度 60 km/h；采用单箱四室斜 收稿日期：2022 04 26作者简介：李士林（1988），男，山东费县人。高级工程师，主要从事工程项目与施工技术管理工作。E-mail：。李士林，等：基于 InSAR 的城市群地表沉降监测与基础设施安全预警研究 25 腹板闭口箱型截面，桥面宽度 47.00 m（两幅），单幅最大宽度为 23.50 m，桥面布置为 2.50 m（人行道）+2.50 m（自行车道）+23.50 m（行车道）+33.75 m（行车道）+0.50 m（中间带）+33.75 m（行车道）+23.50 m（行车道）+2.50 m（自行车道）+2.50 m（人行道）。在遥感影像上的地理位置和外观，见图 1。a 卫星遥感图 b 局部缩放 c 桥梁全貌图1桥梁在遥感影像上的地理位置和外观 场地内岩溶现象较发育，基岩面起伏大；附近位置有一条罐子窑-草塘(F48)断裂通过，第四系以来没有活动，钻探及对周边走访调查过程中也未发现断裂等明显构造活动痕迹。拟建场地整体上是稳定的，但场地内土洞、岩溶发育现象强烈，属于工程不利地段。2 地表沉降的 InSAR 监测 2.1 InSAR 测试原理InSAR(合成孔径雷达干涉测量技术)，是利用合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar,SAR）绘制地球表面毫米级位移的技术，是近年来的对地观测新手段，具有全天候、全天时获取地表信息的特点。目前，被广泛应用于资源调查、环境监测、灾害快速评估等领域，实现遥感技术对地表变化的测量，成为传统光学测量手段的有益补充10-11。InSAR 测试技术基本原理，见图 2。同一位置两次测量存在相位差算法原理HR1R2t2tltqsqszR10S1S2BBB斜距地距B为基线 R1、R2分别表示卫星平台两次对地面目标点t成像时刻的空间位置S1、S2到该点的距离。H为卫星平台相对于参考椭球的高度。g为相邻两地面目标点2的在斜距垂直方向上的距离图2InSAR 测试技术基本原理卫星测量从地球表面反射的雷达信号图像（幅度和相位），通过 InSAR 技术联合处理同一地区或对象的两景图像，提取对应位置的相位差，获取该地区或对象高精度的地表三维信息和变化信息。如果同一位置的两次连续测量之间存在相位差，则意味着某些变化。一个完整的波浪周期长度约为1 cm，具体情况视卫星的不同而不同。2.2 InSAR 数据点分布及整体沉降趋势该市政桥梁在遥感影像上的地理位置和外观，及基于该地区 72 景条带模式TerraSAR 数据，采用 PS-InSAR 时序雷达干涉测量技术得到的空间干涉，见图 3。三个品字形分布的雷达高散射区域，即长沙、株洲和湘潭的位置分布。长株潭城区获取的 PS 点密度较大，空间相干性较好，可为后续分析的精度提供有利条件。a 测试覆盖区域 b 数据空间相干性分析结果0.2104Spatial coher.0.40.60.81.01.2Sample/pix1.41.61.82.00.80.60.40.20桥梁所在区域图3桥梁位置（遥感图像）及 PS-InSAR 干涉分析结果 最终获取的 20162017 年长株潭城市群地表沉降值（共114 907 个数据点），见图 4，反映了长株潭城市群城市内部的地表沉降特征。24 mm18 mm图4InSAR 数据点分布及整体沉降趋势路基工程 26 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）总体来看，长株潭城市群地表情况总体较稳定，不存在明显的大范围沉降，在城市内部部分区域存在由于建筑设施建设造成的轻微的地表沉降。2.3 目标区域沉降数据计算基于 InSAR 干涉相位差算法，选取合适稳定的 PS 候选点构建拓扑网，获得目标桥梁周边范围的延迟相位分析结果（即桥墩沉降数据）。基于InSAR 传感网的地表沉降分析方法及流程，见图 5。PS点形变分析 大气延迟相位分析 配准精度验证定义 InSAR 项目SAR 数据导入选择极化图层读取 SAR 影像元数据定义工作区预览验证工作区裁切主影像预览验证主影像裁切辅影像预览验证各辅影像定义配准参数主辅影像配准验证重采样辅影像精度No数据集预处理 Yes计算数据集时序强度系数计算有效像素掩膜层读入外部参考 DEM显示 DEM 读入 SRTM 定义 GCP重采样外部参考 DEM计算去地平常量计算去地形常量计算数据集时空相关性转换星型分析结构选取分析点构建分析点网定义分析模型模型参数估算分析计算参考点计算大气延迟相位检验各参数分析精度Yes转换自定义分析结构选取 PS 点构建分析点网定义分析模型分析 PS 点形变量图例 自动处理手动处理检查验证必选可选判断项目定义及数据集配准 图5基于 InSAR 传感网的地表沉降分析方法及流程（1）分析点的选择。考虑目标桥梁位于城市区的特点，选择高置信度分析点（阈值为 0.9），共得到分析点 10 464 个。（2）构建分析点网。考虑大气环境的空间相关、时间非相关特点，根据影像数据和地物空间分布关系构建不同拓扑结构的分析点网，获取最佳大气延迟相位分析结果。（3）定义分析模型。考虑差分干涉相位残值中可能包含的线性地表形变速率、建筑物高程、方位向系统偏移、相位偏移、季节性形变等成分影响建立分析模型，获得相关性更高的估算点网。（4）定义分析模型。运用 sarproz 软件，采用 APS+Sparse Points processing 处理流程，将所有 PS 点与单一参考点连接并进行形变计算，获取的研究区累积沉降结果。InSAR 数据点分布及整体沉降趋势，见图 6。0200040006000RangeRangeRange80001000012000020004000PSCGraph600080000200040006000800010000120000200040006000800002000400060008000100001200002000 4000 6000 8000 10000Connections0.90.80.70.60.50.40.3AzimuthAzimuthAzimuth a 相位延迟计算点 b 相位分析的delaunay网格 c 分析点网相关性色彩晕渲图图6长株潭地区城市群 InSAR 数据点分布及整体沉降趋势李士林，等：基于 InSAR 的城市群地表沉降监测与基础设施安全预警研究 27 进一步缩小分析区域，导入上述分析所使用的数据集并使用 sarproz 软件的 Small Area Processing小区域分析功能模块，实现支墩沉降位移的快速分析，见图 7。将桥梁的形变结果导入 ArcGIS，仅保留桥梁上的分析点，得到桥梁形变监测结果。沿桥梁纵向绘制 4 个桥墩所在的横断面（并做 15 m缓冲区）、桥面横向 3 个纵断面（左侧、中间和右侧，并做 10 m 缓冲区），计算所形成的 12 个交叉区 InSAR 桥梁形变均值，并转换为各桥墩处相对垂直沉降量，并与永久观测点的水准测量结果对比。背景桥梁各桥墩处沉降平均值 InSAR 分析结果与水准测量结果对比，见表 1，水准测量基于桥面永久观测点进行，数据来源于该桥历年的常规检测报告。b 桥梁形变分析结果50100150200250300100 150 200 250East m1.0AzimuthNorth m1.0Range300350400 45068206840686068806900692069406960210021402180222022.01000011.74000011.7399993.5500003.5499991.1300001.1299990.7200000.7200012.3700002.3700014.4300006.1400018.620000左侧右侧1号桥墩2号桥墩3号桥墩4号桥墩中间 c 桥梁各墩处沉降的InSAR分析结果累积形变/mm8.62000112.38000012.38000116.1100004.4300016.140000（a）待分析桥梁幅度图7长株潭地区城市群 InSAR 数据点分布及整体沉降趋势 表1各桥墩处沉降平均值 InSAR 分析与水准测量结果桥墩部位1号2号3号4号InSAR分析/mm1.003.001.000水准测量/mm1.032.960.940.10 基于 InSAR 技术建立的城市群传感监测网在分析局部小范围区域的沉降信息时与传统基于永久观测点的水准测量结果基本一致，具备较高精度；能够克服传统测量方法工作量大、实时性不足、影响交通等问题，能够为城市群交通安全运营提供技术支撑。3 InSAR 技术与数值仿真相结