基于InSAR技术的高速公路滑坡、路桥变形监测研究

基于 InSAR技术的高速公路滑坡、路桥

变形监测研究

摘要：本文从InSAR技术概述入手，并以具体的工程项目为例，对InSAR技

术下的高速公路滑坡、路桥变形监测进行深入探讨，希望通过本文研究，为

InSAR技术的良好应用提供参考借鉴。

关键词：InSAR技术；高速公路滑坡；路桥变形监测

引言

随着我国工程领域的不断发展，各工程逐渐加大对于工程监测工作的重视程度，特别是高速公路工程，其所面临的环境较为复杂，更应通过先进的监测技术

确保项目质量与结构安全性，为此，本文对此进行分析，具体如下。

1.InSAR技术概述

InSAR是合成孔径雷达干涉技术的简称，其作为主动式成像传感器，主要是

通过微波的方式探测地表目标。InSAR技术通过雷达成像传感器，得到被测对象

的复数图像信息，同时，经多个环节的处理，包括图像配准、基线估计、干涉图

滤波、相位高程转换以及相位解缠等[1]，基于干涉相位下，反演地形信息。托马斯·杨在1801年发现了光的相干效应，并通过波的叠加原理对该效应进行解释，此次实验被称为“杨氏双缝光干涉实验”，而“光干涉条纹”则是InSAR技术的

基本原理，同一区域被两幅SAR影响覆盖后，其各自会存在对应的像素相位值，

两者相减最终得到干涉相位图，通过有效的数据处理发放时，分离并提出相应的

相位信息[2]。InSAR技术的几何原理图详见图1。其中H表示的是主传感器与地

面的距离，B表示的是空间基线，S1与S2分别代表主辅图像传感器，P表示地面

目标点，R1与R2表示的是主辅图像斜距，表示的是基线B在水平方向的倾角，表示的是主图像的入射角，h表示的是P点高程，P0表示的是P在参考平地上

的等斜据点，与分别表示的是B在雷达视线方向以及垂直视线方向上的投影[3]。

图1： InSAR技术的几何原理图

2.工程概况

某项目的示范区域为长晋高速路线，全长93.045公里，经5个市（县、区），晋城市境内与长治境内分别为61.545公里、31.5公里。沿线的边坡以及高速公路高架桥、路基作为重点的监测对象，主要监测内容包括地质地貌、边坡的各种病害等，例如变形、裂缝、崩解、碎落、掉皮等，对于高架桥主要监测的是桥面变形与隆起、累积沉降、桥墩差异沉降以及裂缝的早期识别等，对于路基主要监测的是路基沉降、隆起、沉降趋势与速度、累积形变量等等。

3.基于InSAR技术下的高速公路滑坡、路桥变形监测

3.1雷达数据采集与处理

在2019年1月~2020年10月这一期间采集图像，获取到50景的图像，处理时间为22个月，后续每个月观测影像将按要求持续采集。采集到相关数据后，需要对其进行处理，由于高速路段边坡存在较多的植被及感兴趣区域的大尺寸，研究区域的海拔范围在700至800米。数据处理环节需要有超过25景的图像，区域中存在几处隧道，由于其在监测盲区，因此无法获得形变数据信息，地势相对平坦。

3.2参考点位置

对于TS-InSAR技术而言，其具备较高的测量精度，实际测量过程中，需要

设置相对准确的参考点，下图2表示的是用于整个图像解算的全部参考点。通过

优化程序，最终完成参考点选择，在优化程序的使用下，能够对所有目标进行统

计分析，例如高相干性、低时空变化以及低标准偏差，最终获得较为精准的结果。

图2：数据集设定的参考点位置

3.3 TS-InSAR技术监测结果

3.3.1累计形变量

经过实际的监测，最终获得累积沉降总量，所有点均对应于TS或DS，同时，按照总形变量方向与大小用不同的颜色进行编码，共得出81131个形变点，具体

是通过卫星视线（LOS）相对于数据集的第一图像测量形变量。该路段的累积形

变量为，相对重要的高速公路段，在露天场地及边坡位置处存在几个局部隆起和沉降的区域位置。

3.3.2形变速率

集中处理所有SAR图像获得视线方向上的（LOS）位移速率，所有点均会对

应一个分布式散射体（DS）或者相干散射体（CS），同时，按照其年形变速率选

择不同的颜色进行编码。根据卫星图像覆盖的整个周期内测量的地面运动线性回

归计算出平均位移值，并且，能够通过位移时间序列得到地面运动的详细信息，

这些时间序列主要在每个CS及DS上发挥着作用。整个感兴趣区域的形变速率处

于-70至66mm /年，95％在-35和+10mm/年之间。

3.3.3形变速率标准差

由于地表形变速率数据的标准偏差表征了测量误差，所以可以得出，任何测

量都应以形变速率±标准偏差的形式进行解释，在与参考点距离不断增大的情况下，标准偏差值也会逐渐增加，值越高表示形变速率的变化越大，同时，通常与

快速或不规则地面运动的区域相关。整个感兴趣区域的标准偏差值较低，处于

0.058 至1.43mm/年范围内。在远离参考点的区域上识别出某几个稍高的标准偏

差值。整体数据的内部质量控制达到标准，估测精度可靠。

3.3.4 K993+343高边坡

该区域在10月的形变速率处于-3.15mm/年到7.73mm/年范围内，累计形变量

处于-10.17mm到16.57mmm范围内。可以得出以下结论：第一，T1位置与公路相

隔79m,这一位置处于经纬度累积形变量为-10.17mm,并

且呈现出逐年下降的趋势，沉降大概是每年-3.15mm,全监测时段内呈现周期性，2020年的10月，单月形变量为-2m；第二，T2位置与公路相隔34m,这一位置的

经纬度为累积形变量为5.78mm，具体在监测过程中，其

形变速率为2.325mm/年，2019年1月至今，呈现出隆起状态，10月份单月形变

量达到了0.08mm。

3.3.5 K971+119路基沉降区

该区域的路基沉降区主要位于司马村附近，该位置的经纬度为

，周围有较多大小不同的沉降漏斗区域。将高速路作为基准线，

划定1km范围内的点进行分析，得出整个区域，在2019年1月至2020年10月

形变速率处于-33.2mm/年至-7.32mm/年范围内，最大累积形变量-58.3mm。得出

以下结论：第一，第一个弯道位置T1存在较为明显的形变情况，可以将其看作

为高变形区域，累积形变量达到-58.3mm，同时，呈现出逐年均匀沉降的趋势[4]，沉降速度在-33.2mm左右，为线性形变趋势持续发展，在10月份的单月形变量为

-4mm;第二，第二个位置T2这一区域存在橙色形变点，从时序形变图中可以看出，