基于DS-InSAR方法的黄土区域高速铁路沿线沉降监测

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高速铁路安全与人民生命财产安全有着十分紧密的联系,其极快的运行速度对沿线路基、附属设施(如桥梁、隧道)的稳定性提出了更高的要求。近些年,随着我国高铁事业的蓬勃发展,许多高铁线路穿越我国的黄土区域。然而,黄土特殊的工程性质(水敏性、大孔性、结构性)及人类活动导致这些地区极易发生地表沉降,对高铁的安全运行存在巨大的威胁,因此对黄土区域高速铁路沿线进行沉降监测十分重要。但是,由于我国高速铁路跨度较大,沿线地理环境较为复杂,传统的沉降监测方法(如水准测量、GPS测量等)存在明显的局限性,急需一种监测范围广、省时省力的监测途径。上世纪末兴起的DInSAR(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,DInSAR)技术以其覆盖范围大,地面分辨率高、高自动化作业等优势被广泛应用在大范围地表形变监测中。然而,该方法易受时空失相关及大气延迟的影响。为克服上述困难,近几年发展的永久散射体雷达干涉方法(Persistent Scatterer InSAR,PSI)成为实现地表沉降监测的突破口,其基本原理是首先从同一区域内多景不同时相的SAR影像中识别出在时序上较稳定的永久散射体(Persistent Scattere,PS),基于永久散射体高信噪比的时序差分干涉相位,分离出地表沉降信息。但在黄土区域,地表覆盖以沙土为主,可用的PS点数目较少,难以获取地表沉降的空间细节。已有研究指出,在非人工地表区域(如荒山、沙漠),分布式目标(Distributed Scatterer,DS)对地表沉降监测具有利用价值。DS点目标是由SAR成像分辨元内散射特性相似的相邻目标像素构成的,其机制特点涉及分辨元内所有较小散射体的相干累加。SqueeSARTM方法以假设检验为手段,选取目标像素的同质点并进行自适应多视,联合PS及DS点进行形变反演。结果表明,相对于PSInSARTM来说,DS点的密度可以提高至少4倍。为提高黄土区域点目标的探测密度及地表沉降的细节,本论文基于多景C波段的Sentinel-1A SAR影像,运用DS-InSAR方法对黄土区域高铁沿线进行沉降监测。首先针对黄土区域的性质,对DS-InSAR方法过程中干涉对、DS点的选取进行了研究,并实现了黄土区域高铁沿线时间序列沉降信息的提取,最后对沉降结果进行了精度评定与分析。本论文的具体工作如下:(1)依据现阶段干涉对组合策略,对黄土区域进行了季节相干性分析,由干涉对相干系数的变化规律,得出黄土区域并没有季节失相干特性,时间基线阈值是在黄土区域进行干涉对选取时最重要的影响因素。基于此,本论文对干涉组合进行了优化选取,主要是对时间基线阈值的选取及增加冬季SAR影像干涉对的参与,提高了干涉图集的整体相干性。(2)为提高黄土区域DS点选取的精确性,比较分析了三种SHP识别方法(GLRT、BWS、FaSHPS)在进行同质像元的判定搜索及空间拓展结构确定时的效率及适应性,结果表明,FaSHPS算法在进行SHP识别时效率更高,自适应性更强。(3)采用覆盖郑西高铁的Sentinel-1A影像进行沿线地表沉降监测,其中用三组干涉对,采用DInSAR方法对郑西高铁全线进行沉降监测,共探测到分布在高铁线路两个明显的沉降区,分别位于渑池段和渭南段。接着,基于2017-2018年的42景渑池县的SAR影像,24景渭南市的SAR影像,采用DS-InSAR方法对两区域进行时序沉降信息提取,得出渑池段区域的年平均沉降速率范围为-116.67mm/yr41.88mm/yr,渭南段区域的年平均沉降速率范围为-50.92mm/yr-1.3mm/yr,并与PS-InSAR方法进行了对比分析,证明了本文DS-InSAR方法进行地表沉降监测的有效性及可靠性。
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