遥感形变监测

一、遥感技术在形变监测中的应用InSAR（干涉合成孔径雷达）技术目前被广泛得应用于自然和人工地物的形变监测，它可以利用传感器的系统参数和成像几何关系等精确测量地表某一点的形变信息。雷达干涉技术弥补了传统形变监测手段（如精密水准测量、光纤传感器、近景摄影测量、全球定位系统GPS等）监测范围小、测量难度大、成本高等不足。InSAR技术后期进一步拓展到了D-InSAR(差分InSAR)，已经可以探测到地表毫米级的形变，后来为了解决D-InSAR技术中遥感影像对时间和空间的相关性差和大气延迟等问题，人们提出了PS-InSAR（永久散射体-InSAR）、QPS、SBAS和StaMPS等方法。随着雷达干涉测量技术的发展和雷达卫星轨道精度与数据分辨率的不断提高，形变监测将在长时间序列、空间精度、三维形变精度等多个方面得到很大的提升。InSAR（干涉合成孔径雷达）形变监测技术在交通领域的应用主要体现在以下几个方面：1.高寒冻土地区边坡、路面的形变监测青藏高原广泛覆盖着永久性冻土和季节性冻土，由季节性的冻胀和融沉导致的地表形变是在冻土区域进行道路施工的最主要危害，也对青藏铁路和公路的稳定性及日常运营维护产生了较大的影响。在前期的研究中，使用空间分辨率较低的ASAR和ALOS数据等，对青藏铁路和公路沿线部分路段进行了形变监测，得到了道路毫米级的累积形变量和形变速率信息，并发现道路形变与冻土季节性冻融循环的时间规律相吻合。在后期的工作中，还需要使用TerraSAR高分辨率数据通过QPS-InSAR和SBAS等方法对青藏高原路域，尤其是目前研究偏少的公路沿线的边坡和路面，进行大覆盖面精细的形变监测，为青藏高原高寒冻土区域的道路建设和养护提供信息技术支持。2.西部地区滑坡体及长大桥隧形变监测川藏铁路从成都到拉萨，全长1629千米，沿线地质条件复杂，多年冻土、崩塌、滑坡、岩爆等地质灾害严重，而且沿途跨越多个断裂带，整条线路70%以上需要建桥梁、挖隧道。在铁路规划、修建和养护过程中，利用雷达干涉技术进行冻土、滑坡以及桥梁隧道的形变监测，对于铁路选线、灾害预警及设施维护具有非常重要的意义。使用高分辨率的TerraSAR数据，利用时序差分干涉测量技术，可以较好的确定滑坡发生的位置、时间和形变大小，目前对于交通路域滑坡形变的监测应用较少，而且对于川藏铁路路域植被覆盖量大的情况，如何提取足够的PS点，也是有待研究的问题。桥梁和隧道属于大型人工地物，易于PS点的选取，其密度可以达到3000PS/km2。通过时序差分干涉测量技术方法可以提取一定时间内桥隧PS点的累积形变量、形变速率及进行变化趋势的预测。目前该技术已被应用于北京市桥梁和香港的隧道施工形变监测，监测到部分桥梁18个月的累积形变达到30mm。桥隧的形变监测需要获取局部的精细形变信息，随着雷达卫星干涉能力的提高和影像模式的改进，雷达干涉技术将在桥隧监测中得到更为广泛的应用。3.地铁沿线地表沉降监测随着我国地铁建设的迅速发展，对地下空间的开挖深度不断加深，由此引起的地面沉降对工程线路上方及周边的建筑物等带来了一定的影响。利用时序差分雷达干涉测量技术对地铁沿线的地表沉降进行监测，精度高、覆盖范围广、获取周期短，可以对城市所有地铁线路进行全覆盖高时效的毫米级高精度监测，获取重点沉降区域的沉降量和沉降速度，及时发现和排查隐患点，保证地铁运行的安全和降低沉降所带来的危害。使用TerraSAR数据进行上海地铁沉降监测，发现的沉降严重区域与已发生事故的地点相吻合，也验证了该方法的有效性。4.高铁沿线形变监测“十二五”期间，我国高速铁路运营里程达到1.9万公里，占全世界60%以上，居世界第1位。高速铁路对轨道的平顺性及线下构筑物的稳定性有严格的要求，利用时序差分雷达干涉测量技术可以得到在较长时间范围内的高铁纵断面方向沉降速率及沿线沉降速率，总结形变规律及形变点的空间分布特征，对高铁线路进行安全等级评估等，通过监测结果可以给出安全预警及锁定人工重点排查区域，为高铁安全运营提供保障。5.机场形变监测随着我国航空交通的发展，国内机场的数量和规模都在不断增加，机场作为大型的人工地物，其建设和运营中对地下的开采和利用，必然会带来地面的沉降，同时机场航站楼建筑经过长时间的运营，也会产生形变，带来一定的安全隐患。利用时序差分雷达干涉测量技术对首都机场T1、T2和T3航站楼的地面沉降进行监测，发现从2003年到2009年T1和T2航站楼有下降趋势，T3航站楼有上升趋势。另外，利用该技术通过航站楼大量PS点的选取，也可以监测建筑物的形变信息。这些研究都印证了雷达干涉测量技术是机场沉降和形变监测的有效手段。6.港口形变监测因为地质条件、围海造田、油气开采等原因，港口地面及设施都存在一定的沉降现象。港口地面及设施的沉降观测，对港口工程的规划设计和施工运营具有重要意义。以往对港口的沉降多采用人工水准测量的方法，耗费大量的人力物力。利用雷达干涉测量技术，可以长期有效的对港口沉降进行及时的观测，分析各形变点的累积形变量、形变速率，找到港口的重点形变区域，排查隐患。通过其他环境参数与形变的相关性分析，寻找形变的原因，及时做好防护和改善措施，为港口的安全稳定运营提供信息支持。7.内河航道堤坝形变监测库容水重力、渗透作用和堤坝的自身重力都会造成堤坝的微小形变，当形变累积量变大时，就会对堤坝的稳定性造成破坏，因此，堤坝变形监测是保障航道和水库安全的重要工作内容。传统的观测方法，需要在堤坝布设观测点，耗时耗力且观测点密度很难达到要求。针对堤坝PS点较少的特点，可以通过在堤坝布设人工角反射器和将PS-InSAR和QPS技术相结合的方法，有效的提取水库堤坝、河道T字型坝和U字型坝等水工建筑物的位移和形变信息。