创新推广项目 | 基于InSAR技术的城市轨道交通穿越区地面沉降监测服务研究

完成单位：

北京城建勘测设计研究院有限责任公司

主要完成人：

刘运明 陈大勇 马全明 李响 汤发树 李华 耿长良 熊琦智 张伟 刘瑞敏

1. 关键技术内容及技术路线

（1）系统研究了InSAR技术的发展现状和技术优势，重点阐述了应用于地面沉降监测的时序分析D-InSAR技术：PS-InSAR技术和SBAS-InSAR技术的基本原理。通过分析不同技术方法中的技术性限制,得出了不同技术方法监测不同地表形变的适用性。

（2）利用SBAS-DInSAR技术对北京市城市地面沉降和轨道交通六号线沿线的地面沉降进行了详细监测。采用2003年06月18日至2010年08月25日间覆盖北京市城市区域的52景ENVISAT ASAR数据, 利用SBAS-DInSAR技术进行差分干涉处理，获取了北京市城市区域和六号线沿线的地面沉降场,通过与北京市的地面沉降曲线图和六号线的两期水准测量数据进行对比，实现了对D-InSAR沉降结果的精度验证与分析,发现D-InSAR技术监测结果的中误差在可以接受的范围内，证明了采用SBAS-DInSAR技术和C波段雷达数据进行城市地面沉降监测的可行性。

（3）系统研究了大气延迟对时序D-InSAR技术的影响，详细阐述了不同的大气结构对雷达信号的影响模型，重点研究了时间序列D-InSAR技术中大气延迟相位的分离方法，通过对实验区的雷达影像进行差分处理，总结了大气延迟对观测结果的影像程度是不可小视的，必须通过适当的方法加以降低或者消除。

（4）结合城市轨道交通沿线地面沉降监测的数据类型和ARCGIS10软件，完成了城市轨道交通沿线沉降监测数据库管理信息系统的设计。

SBAS-DInSAR沉降监测时序形变图

2. 主要技术特点和创新点

传统的精密水准观测和GPS观测存在测点分布稀疏，作业周期长，劳动强度大的问题，难以适时、客观反映日益扩大的区域性地面沉降变化趋势。在城市轨道交通工程发展建设节奏愈来愈快的今天，政府以及城市轨道交通工程建设的有关部门和单位越来越需要有准确、及时的地面沉降基础资料来进行城市轨道交通工程的规划和治理保护，也就越来越需要现代高新技术所带来的更全面、及时、科学的监测手段，为政府决策、城市发展及时提供有价值的信息。

为了进一步提高地面沉降监测能力，需要加强技术研究，对已有的地面沉降监测技术体系做进一步完善，在已有基础上研究、引进新的信息获取及信息处理技术来提高地面沉降监测与防治水平。为此，需要探讨D-InSAR技术在城市轨道交通沉降形变监测中的基础理论及应用方法，从而更好地为城市轨道交通基础设施规划及管理提供更为全面的沉降形变服务。

3. 已发表论文

（1）  InSAR在城市轨道交通领域的应用研究

（2）  D-InSAR技术在北京轨道交通六号线沉降监测中的应用研究

（3）  SBAS-DInSAR技术在城市区域地面沉降监测中的应用研究

轨道交通沉降数据库的设计与实现

沉降管理信息系统模块设计

管理与分析模块设计

1. 使用效果评价

总结了D-InSAR技术在地面沉降领域的应用及其算法发展情况，重点论述了SBAS-DInSAR技术的理论算法，并且结合SBAS-DInSAR技术进行了北京地铁六号线沿线地面沉降的监测实验，通过本次实验我们可以得出如下结论：

1）由于ENVISAT ASAR影像数据的分辨率较低（30m），只能获取地铁六号线沿线的区域地面沉降趋势，若想获取地铁六号线沿线建（构）筑物的沉降，则需要分辨率较高的影像，如RADARSAT-2、TerraSAR-X及COSMO-SkyMed等分辨率（1、5和20 m）较高的卫星数据。

2） 通过比较D-InSAR沉降监测成果和地面精密水准数据，可以看出两者在沉降趋势上有着较高的一致性，由于地面水准获取的是离散点的数据，而D-InSAR则是获取的像元面数据，因此两者在准确的地理位置上会有一些差异，因此，造成了D-InSAR沉降监测成果和地面精密水准数据在有些地方并不能很好的符合。

3）通过研究D-InSAR技术数据处理的理论和方法，结合精密水准数据进行精度分析，实现建（构）筑物沉降形变、地表沉降形变和地下结构物的形变分离，为城市减轻沉降灾害提供技术支撑。研究城市轨道交通线路在运营期间主体结构变形的时空演化模式并总结其变形规律，为城市轨道交通的运营监测提供高时空采样率的形变数据。

2. 市场需求分析

随着我国城市化进程的加快，许多大城市都竞相发展以城市轨道交通为主的快速轨道交通系统，并相继开展了大规模的城市轨道交通建设。由于城市轨道交通工程为城市环境中的长距离地下隧道、桥梁以及地下深基础工程，在工程建设阶段由于受到土体开挖、降水、打桩等影响，使处于应力平衡状态的地质环境遭到破坏，引起围岩的垂直和水平位移变化，从而导致工程环境发生变形；在运营阶段，由于过度抽取地下水、地下水冻融以及地上建筑物荷载的增加， 造成城市沉降漏斗区和沉降带，当轨道穿越沉降漏斗区和沉降带时，当轨道结构在沉降区内与沉降区外的沉降量不一致，且长期积累下去，就会产生严重的纵向不均匀变形。对城市轨道交通线路的运营产生非常大的破坏影响。

开展城市轨道交通工程建设和运营期间的变形监测，及时掌握工程和工程环境周围可能产生变形的区域及对象，确保城市轨道交通工程建设和运营安全以及由于工程建设引起的环境安全，已成为城市现代化建设中不可缺少的重要工作和关键技术。因此，各级轨道交通工程建设和运营的管理者，对城市轨道交通工程的变形监测非常重视，变形监测工作也在城市轨道交通工程建设和运营中得到普遍开展。

变形监测是城市轨道交通工程设计和施工的重要组成部分，是监测、判断建设和运营安全的重要手段。本着安全可靠、监测信息及时反馈及经济合理的原则，开展城市轨道交通工程的变形监测工作。由于城市轨道交通工程在城市环境中呈线性走向分布，在其设计、施工和运营的监测过程中，具有以下几个特点：（1）监测距离长，一条线少则十几公里，多则几十公里；（2）监测项目多，基坑主体机构、沿线地面、周围建（构）筑物、管线、桥梁等；因此，采用常规的精密水准进行变形监测要耗费大量的时间、人力、物力和财力，并且很难精确确定沿线的变形影响范围。

3. 与国内外同类产品或技术的竞争力分析，成果产业化前景分析

由于D-InSAR技术具有非接触测量、不需要布设监测控制网、毫米级精度、效率高、成本低、覆盖范围广、不受天气影响、空间分辨率高等特点。因此，利用D-InSAR技术辅助常规监测可以很好地解决上述问题。在设计阶段，采用D-InSAR技术开展区域地面地质灾害调查，辅助设计，使轨道工程尽量避开地质坏境差的区域，或者提供勘察范围，为事故预防提供决策支持；施工阶段，运用D-InSAR技术辅助常规变形监测，及时掌握施工环境的影像区域范围和主体结构本身的沉降量及沉降速率，为评价工程和工程环境安全提供准确的监测数据；运营阶段，辅助常规监测，判断城市地层沉降对轨道交通结构的影响，确保安全运营。具有广阔的应用前景。

应用InSAR技术监测城市轨道交通沿线地面沉降,可以准确及时地掌握研究区的地面沉降变化，为地面沉降的预测和预报、水资源的合理开采利用及地面沉降的有效控制提供科学依据。

随着InSAR技术的迅猛发展,D-InSAR技术作为最经济、可行的地表形变的监测方法,被越来越多地应用到地表形变监测的研究中。但是,常规D-InSAR技术的形变精度和可靠性受时空去相关等引入的相位噪声和大气效应引起的延迟相位的影响。为了克服这些限制性因素,研究人员相继提出了PS-InSAR、SBAS-InSAR和MT-InSAR等时间序列分析方法。在国际InSAR研究应用领域中这三种方法已经得到了广泛应用，并取得了很好的社会效益和经济效益。