基于SBAS技術的寧波市軌道交通沿線地面沉降監測

溫浩，胡在凰，胡玉坤

(寧波市測繪和遙感技術研究院，浙江 寧波 315042)

1 引 言

城市軌道交通，作為節能源、省空間、污染少、運量大、速度快、準時的交通大動脈能夠明顯緩解路面的交通擁堵[1]。截至2020年底，寧波軌道交通運營里程達 155 km[2]，根據《國家發展改革委關于寧波市城市軌道交通第三期建設規劃(2021-2026年)的批復》，寧波市還將規劃建設5條線路，總里程約 106.5 km，估算總投資875.9億元[3]。軌道交通能帶動城市發展并改善社會生活條件，但受自然或人為活動影響，地鐵沿線和周邊會發生地面沉降，損壞地鐵路基和橋梁結構，引發地下管道破裂、城市內澇和坍塌等事故。因此，有必要對沿線目標進行動態監測，以便及時發現問題，為政府防災減災規劃及經濟可持續發展提供決策依據[4]。

隨著國內外對地觀測技術的不斷發展，合成孔徑雷達干涉測量技術(Interferometry Synthetic Aperture Rarar，InSAR)也在不斷改進，并被運用于地面沉降監測領域，與傳統的高水準測量及GPS技術相比，InSAR技術以其大面積同步測量、精度高和空間分辨率高等優勢，成為地面沉降監測的有力補充手段[5]。

國內外學者將時間序列InSAR技術運用在軌道交通地面沉降監測中，并取得了良好的效果。文獻[6]利用高分辨率InSAR時序分析技術研究了上海地鐵10號線建設和運營期地面沉降的時空變化特征。文獻[7]分別采用永久散射體干涉技術和相干目標技術分析了在大型人工線性地物形變監測中的應用能力和局限性。文獻[8]利用覆蓋上海地區的33景Cosmo-SkyMed影像和PS-InSAR技術對不同建設時期地鐵線路的沉降趨勢情況進行分析。文獻[9]基于小基線(SBAS)技術開展廣州市某段區域地鐵沿線以及周邊區域地面沉降監測。文獻[10]利用26景TerraSAR-X影像對上海市的城市軌道交通網路進行了PS-InSAR沉降監測，結果顯示，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期有一定關聯，早期建成的線路經過長期的工后沉降及管理維護后整體沉降情況比較穩定，而后期建成的線路穩定性較差，沉降較明顯。

綜上所示，用于軌道交通地面沉降監測的InSAR技術主要包括PS-InSAR及SBAS兩大類，其中PS-InSAR技術只能提取高相干點的相位變化，點位密度在建筑稀疏區域難以滿足監測要求[11，12]，而SBAS技術同樣克服了時空去相干及大氣相位的限制，適用于大面積、長時間的地表形變的監測[13]。由于寧波市軌道交通運營里程較長，地表覆蓋類型多樣，為保證城區及郊區都有足夠密度的高相干點，本文以2016年12月～2019年12月的Radarsat-2 XF模式影像為數據源，基于SBAS技術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營提供數據保障和有力支持。

2 數據源與數據處理

2.1 數據源

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

2.2 數據處理

利用GAMMA軟件對Radarsat-2數據集進行經典SBAS數據處理，首先根據影像集的時間分布特征，選擇時間序列中間時刻(即成像時間為“20180614”)的影像為主影像，對SAR影像集進行配準與裁剪；設定時間基線閾值80天，空間基線閾值 300 m，生成96個干涉子集，對每個干涉像對進行前置濾波，計算干涉相位，生成差分干涉圖；對經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算相干系數，通過平均相干系數閾值法提取SBAS高相干點目標，并利用基于規則格網(mesh)的最小費用流(MCF)方法，對相干系數大于0.85的像元進行相位解纏，經檢查解纏后的相位圖幅度值連續、無跳變的存在；根據非線性形變相位、大氣相位、噪聲相位的特點，選擇時間高通濾波、空間低通濾波對非線性形變進行分離[14]，疊加線性形變部分后即可得到各高相干點的時間序列形變信息；最后，利用雷達波入射角，將雷達視線方向的形變值轉換為垂直向的沉降值。

2.3 定標與精度評價

在InSAR解算初步完成后，利用近幾年寧波市地面沉降水準復測數據開展定標與精度評價。在覆蓋4條已運營線路的矩形區域內共有保存良好、成果連續可用的高等級水準監測點83個，在2016年12月、2018年12月分別進行水準連測。由于InSAR與水準監測成果相差一年，本文分別計算重合時段(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InSAR監測數據進行定標。計算結果為：定標值為 5 mm/a，定標后兩者的差值的最大值為 15 mm/a，最小值為 -14.5 mm/a，比對中誤差m0=5.8 mm/a，對應的沉降誤差分布圖如圖1所示，有81.5%的點沉降速率誤差在 ±6 mm/a以內，所有點的沉降速率誤差均在3倍中誤差以內，這表明兩種測量手段獲取的監測成果相互吻合，InSAR技術用于軌道交通沿線地面沉降監測的精度較高，成果可靠性較好。

圖1 83個水準點與InSAR的沉降速率誤差分布圖

3 結果分析

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地面沉降速率較小，經過該區域的4條線路沿線地面沉降相對穩定，平均沉降速率多在 5 mm/a以內，這表明近年來寧波市中心城區地面沉降綜合整治取得了一定的成效；從總體上看，1號線、2號線沿線地面沉降相對穩定，3號線奉化區部分線路、4號線江北區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高相干點目標地面沉降速率圖

圖2顯示，軌道交通沿線地面沉降存在明顯的空間差異性，同一行政區內不同線路的沉降特征也有差異。為分析軌道交通站點周邊的沉降特征，直觀了解其空間變化規律，本文以軌道交通線路里程為橫坐標、沉降量為縱坐標，按照 200 m的間距取離散點，繪制4條已運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號線、2號線沿線地面沉降速率剖面圖

圖4 寧波市軌道交通3號線、4號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域包括：

(1)1號線世紀大道到寶幢站，沉降區內最大沉降速率為 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-五鄉段；

(2)2號線孔浦站到寧波大學站，沉降區內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，該區域跨度相對較短，在路林站附近沉降比較明顯；

(3)3號線鄞州區政府站到金海路站，沉降區內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，沉降區跨度較長，以奉化區部分線路的沉降最為顯著；

(4)4號線慈城站至麗江路站、矮柳站到東錢湖站具有帶狀沉降現象發生，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，在影像的監測周期內，處在運營期的1號線、2號線沿線地面沉降速率及影響范圍，比處在施工期的3號線、4號線要大，這與秦曉瓊[10]等的研究結果是一致的。

3.2 形變梯度分析

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

(1)

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

根據“DZ/T 0286-2015地質災害危險性評估規范”，地面沉降速率大于 30 mm/a的為“強發育”，10 mm/a～30 mm/a之間的為“中等發育”，小于 10 mm/a的為“弱發育”，考慮到中等及以上發育的沉降危害較大，本文以累積沉降量數據為基礎，對沉降比較明顯的軌道交通3號線、4號線中沉降速率大于 10 mm/a的區域進行形變梯度分析。

如圖5(a)所示，3號線大梯度形變點分布在大通橋、朝陽站、進琳站、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號線大梯度形變點分布在長興路、洪大路、金達南路附近，其中形變梯度最大的點分布在金達南路站附近，形變梯度為 0.21 mm/a。

圖5 軌道交通3號線、4號線形變梯度較大的點位空間位置

進一步分析可知，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沉降速率較大的區域(如3號線近琳站至金華路站、4號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一致，屬于整體性沉降；②沉降速率較小的區域(如軌道交通3號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穩定；③沉降速率較小的區域(如3號線大通橋站、朝陽路站)形變梯度變化較大，表明該區域存在不均勻的差異性形變。

4 結 論

本文以Radarsat-2 XF模式影像為數據源，采用SBAS技術開展寧波市軌道交通4條已運營線路沿線地面沉降監測，結合高精度水準數據進行定標與精度評價，在此基礎上從沉降速率剖面圖、形變梯度兩個角度開展地面沉降綜合分析。監測結果顯示：以三江口為中心的寧波市老城區地面沉降速率較小，4條線路沿線地面沉降情況相對穩定；在三江口核心區以外，各線路沿線均有不同程度的沉降發生，最大沉降速率為 18.4 mm/a，位于4號線官山河站附近；通過對形變速率較大、沉降影響范圍較廣的3號線、4號線進行形變梯度分析可知，在一些形變速率較小的區域，出現了形變梯度較大的情況，表明該區域存在不均勻沉降，建議有關部門關注重點線路周邊的不均勻沉降現象，結合InSAR和水準測量數據，強化安全防治，降低城市軌道交通建設及安全運營的風險。