姚京川，郭继亮，简国辉1，，袁慕策1，，冯楠1，，郑佳怡1，

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.铁科检测有限公司，北京 100081）

0 引言

近年来，我国铁路建设发展迅速，高速铁路运营里程稳步增长，截至2021年底，我国高速铁路运营里程超过4万km，居世界第一。在此背景下，铁路安全运营问题不容忽视。高速铁路对基础设施的形位要求极高，及时获取基础设施的形位信息，高效、准确地掌握铁路线路沉降情况，对于铁路安全运营具有重要意义。

目前，铁路线路沉降监测的常规方法包括路基沉降板法、变形观测桩法、沉降水杯法，以及路基、桥梁通用的利用电子水准仪等高精度仪器的高程测量法［1］。上述方法对单点的测量精度高，但存在成本高、效率低、无法全天候监测等缺点；而水准测量受人工因素影响较大，多用于局部沉降监测，无法实现针对铁路线路的大范围、全覆盖沉降监测；另外，由于高速铁路的运营维护需在天窗期开展，大大限制了多种监测方法的适用范围。因此，亟需非接触式、不影响行车的高效测量手段，用于完成运营铁路线路的沉降监测工作。

随着遥感技术的高速发展，利用卫星遥感技术进行铁路线路及其周边区域的动态观测已经实现，并逐渐在铁路行业推广应用［2］。其中，干涉合成孔径雷达技术（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）成为获取铁路地表形变信息的有效途径，在北京、天津、郑州、重庆等地区的铁路线路，采用InSAR技术的沉降监测、结果分析工作已有较多开展［3-7］。

1 时序干涉合成孔径雷达技术

时序干涉合成孔径雷达（Time-Series Interferometric Synthetic Aperture Radar，TSInSAR）测量技术是一种基于时间序列SAR成像发展出的新兴遥感技术，该技术利用同一地区的多时相SAR数据（十几景～数十景），提取在影像中长期稳定的高相干目标，即永久散射体（Persistent Scatterer，PS），通过对PS点上形变信号、大气信号、数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）误差相位等的时空域分析与处理，分离和解算出地表形变信息［8］。TSInSAR技术的出现，晚于合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）技术、InSAR技术、差分干涉合成孔径雷达（Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar，DInSAR）技术［9］，该技术继承了SAR全天时、全天候、大范围等优点，并克服了DInSAR［10-11］技术受时空失相干、大气效应等影响较大的难题，进一步提升了测量精度（可达毫米级）。TSInSAR技术的监测周期取决于卫星重访时间，监测范围取决于卫星覆盖范围（几十至几百平方千米）。按照干涉图生成方式划分，TSInSAR技术可分为单参考影像（即只采用1副影像为主影像）和多参考影像。采用单参考影像模式进行铁路线路沉降监测，其主要方法包括：Persistent Scatterer Interferometry（PSI）［12］、Persistent Scatterer Pair Interferometry（PSP）［13］、Interferometric Point Target Analysis（IPTA）［14］、SqueeSARTM［15］、Joint-Scatterer InSAR（JSInSAR）［16］等。TSInSAR技术处理流程见图1。

图1 TSInSAR技术处理流程

对TSInSAR技术处理流程进行详细说明如下：

（1）为了得到质量较高的干涉相位，在干涉处理前，需选取1幅时空分布最优的图像，作为干涉配准的公共主图像。对同一地区获取的N幅SAR图像，依据SAR图像的时间基线、空间基线、多普勒中心频率构成的三维空间分布图，选择1幅合适的SAR图像作为主图像，其他图像作为辅图像，组合成N-1幅干涉图。主图像的选取涉及到后续所形成干涉对的相关性，其时间基线、有效空间基线、多普勒质心频率差是影响干涉相关的重要因素。

（2）根据相干系数阈值法或幅度阈值法进行PS点选择。频谱相干系数下限阈值默认为0.33，幅度下限阈值默认为0.50。

（3）利用参考DEM和精确的轨道数据，去除地形相位生成差分干涉相位图。本次处理工作使用空间分辨率12.5 m的ALOS DEM。

（4）逐幅进行干涉图的相位解缠，该过程一般选择最小费用流算法完成。

（5）在N-1幅干涉图的所有PS点上建立平均形变速率、高程误差、大气相位参数、差分相位的模型方程组，根据时序相干系数最小化原则，进行形变速率和高程误差的初始求解。

（6）通过迭代估计，求解线性形变速率、高程误差、大气影响相位的初始估计。通过一系列拟合、迭代、平差处理，进一步得到各PS点的时序线性沉降速率及参考DEM的高程修正量。从差分相位上减去形变相位和高程误差相位后，得到残余相位。考虑大气影响相位在时间序列上是随机的、是高频信号，而在空间分布上是平滑的、是低通信号；而非线性形变相位在时间序列上是低频信号。为了进行大气相位估计，可通过空间和时间的滤波完成。该过程中，空间域一般采用普通均值滤波，时间域一般采用三角加权均值滤波。

（7）从原差分相位中去除平均形变相位、高程误差和大气相位后的残余相位，可进一步提取更多的PS点。重复上述步骤，重新估计DEM误差和形变速度，进一步提高估计精度。最后，将PS线性形变分量和非线性形变分量进行叠加，获取完整的形变值。在多次迭代过程中，一般当形变速率绝对值＜2 mm/年时，迭代完成。

（8）对于获得地理编码后的形变值，如有必要，还可在后续处理中对非线性形变和大气延迟结果进行地理编码。

（9）精度验证。水准点、GNSS等的测量结果稳定性和精度较高，在很多研究应用中，常将水准点、GNSS等的测量结果与TSInSAR的测量结果进行对比和验证。目前，InSAR技术的测量精度在多个行业中已得到验证，并逐渐作为一种成熟技术应用于形变监测。

2 案例分析

选取包含路桥过渡段的某铁路线路为研究对象，利用TerraSAR卫星获取的25景SAR数据进行TSInSAR处理，得出路桥过渡段的形变监测结果，并与铁路CPⅢ控制点测量数据进行对比。

2.1 InSAR数据

研究采用的数据为德国宇航局TerraSAR卫星条带模式的SAR数据，分辨率为3 m，ALOS DEM作为参考DEM。该典型路桥过渡段SAR影像见图2，图中黄框区域为研究对象，即包含路桥过渡段的某铁路线路。SAR数据干涉对成像日期及其对应时空基线信息见表1，其中以2016年12月19日获取数据为主影像，时间基线即各数据获取时刻与主影像之间的时间间隔。TSInSAR处理数据的时空基线分布见图3。

图3 TSInSAR处理数据时空基线分布

表1 SAR数据干涉对成像日期及其对应时空基线信息

图2 典型路桥过渡段SAR影像

2.2 数据处理与结果分析

根据TSInSAR技术处理流程，对25景SAR数据进行处理，获取路桥过渡段的沉降速率结果（见图4），以掌握该铁路线路及其周边的整体形变状况。

图4 铁路线路区域整体沉降速率结果

该铁路线路沿线沉降速率结果见图5，图中各点为TSInSAR处理中提取的PS点，不同颜色代表不同形变量。由图5可知，该铁路线路的路桥过渡段存在一定程度沉降。

图5 铁路线路沿线沉降速率结果

为了验证TSInSAR的测量精度，将TSInSAR测量结果与CPⅢ水准测量结果进行对比（见图6），图中横坐标所示经度值间隔为0.005°，代表东西向540 m的空间距离。由图6可知，两者整体趋势一致。其中，在东经117.015°附近，2种观测结果均出现较大跳变，该处对应于图5所示路桥过渡段，即提示此处有沉降量突变，后续应引起关注。由于2种测量方法的沉降量数据点数不一致，利用与水准测量点空间位置最近的TSIn-SAR形变点计算两者差值，差值均方根为2.39 mm，显示出TSInSAR测量与CPⅢ水准测量有较高的一致性。

图6 TSInSAR测量结果与CPⅢ水准测量结果对比

2.3 安全风险评价

在铁路线路沉降监测中，主要关注相邻两点之间的差异沉降，不均匀的差异沉降会改变轨道线性，影响铁路的平顺性。因此，考虑利用TSInSAR形变点结果计算相邻点的差异沉降，再进行沉降安全风险评价。如图6所示，形变信息为铁路沿线所有沉降量的集合，为了便于计算差异沉降，根据TSInSAR提取的PS点的位置分布信息，以及CPⅢ控制点分布情况，筛选出沿轨道方向规律分布的PS形变点，然后依次计算相邻两点之间的沉降变化量。此处，综合考虑铁路结构的整体性和所用卫星数据的分辨率（3 m），用该沉降变化量来衡量差异沉降，并绘制沉降安全评估图。利用PS点计算出InSAR数据覆盖期间差异沉降（见图7），根据差异沉降进行差异沉降风险性分析，其中红色表示沉降路段（差异沉降＞5 mm），黄色为隐患路段（3 mm＜差异沉降＜5 mm），绿色为稳定路段（差异沉降＜3 mm），圆点为进行精度验证采用的CPⅢ控制点位置。从图中的结果可以看出，红色区域所示的路桥过渡段为需要重点关注的地面沉降区域，同时该区域不均匀沉降对轨道平顺性产生的影响，需要重点关注并进行进一步研究。

图7 某铁路差异沉降风险性分析

3 结束语

在铁路设计、施工、运营阶段，TSInSAR技术作为常规高速铁路沉降监测体系的有效辅助，为高铁运营和安全维护提供了沉降监测的有效手段。通过卫星长时间观测，并利用已积累的数据信息，可快速确定区域沉降范围、分析差异沉降地段、发现新的沉降区域，还可利用历史存档影像数据对沉降区域进行溯源。案例分析表明，高分辨率的InSAR技术对路桥过渡段差异沉降具有良好的监测效果，TSIn-SAR测量与水准测量的结果基本一致，并且可获得在空间上密度更高的形变信息。通过TSInSAR进行铁路沿线沉降监测普查并针对重点区域详查的工作模式，可减少工作量、降低成本。未来，随着我国InSAR卫星数量增加、针对行业应用定制卫星的发展、数据的丰富、技术的更新等，将为铁路运营的立体监测提供有力支撑。