CN101899845B - 一种高速铁路沉降监测技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速铁路沉降监测技术，采用卫星时序差分雷达干涉技术监测高速铁路的沉降变化。用天然永久散射体(PS)配合人工角反射器(CR)的方式构建混合散射体网络；所述卫星时序差分雷达干涉技术采用多时相高分辨率短波长卫星SAR影像；混合散射体网络采取自由连接法构网。本发明方法可解决植被覆盖区域或一般难以获得有效的天然PS的农田区域沉降监测的难题。基于混合散射体网络的时序差分雷达干涉技术可保证高速铁路沉降监测的可靠性与精确性。固定与分体式两类人工角反射器兼顾布设可保证植被区域与农田区域沉降监测的成功率，节约用地面积，降低人工角反射器监管成本。

Description

一种高速铁路沉降监测技术

所属技术领域

本发明属于带状区域形变监测领域，尤其是高速铁路沿线地表沉降监测的技术领域。

背景技术

高速铁路具有运行速度极快的特点，对沿线地理环境和地质条件提出了很高的要求，特别是路基和桥梁的稳定性尤为重要。然而，受自然或人为因素(如地下水过量开采)的影响，铁路沿线和周边会产生地表沉降；列车的高速运行及其震动会对路基和桥梁产生压力，这样会引起路基、桥梁等构筑物的变形(尤其是沉降)。这些内外因素导致的沉降将直接影响高速列车的安全运行，因此，加强高速铁路本身及其周边的地表沉降监测就显得非常重要。

虽然一些已有土工测量技术(如沉降板法、沉降水杯法、铁环分层沉降仪法、水力法和测斜法等)和惯用大地测量技术(GPS和精密水准等)均可应用于高速铁路的沉降监测，但因它们具有监测效率低、空间分辨率低、监测成本高等明显技术劣势，研究并开发自动化程度高的高速铁路沉降监测技术具有重要的现实意义。

近几年发展起来的基于永久散射体(Persistent Scatterer，PS)的卫星时序差分雷达干涉技术为间接克服相位失相关和大气延迟的负面影响提供了可能，从而达到提高区域地表形变监测精度与可靠性的目的。PS指具有稳定散射特性的自然或人工地物(如建筑物、混凝土堤坝、桥梁、钢轨、岩石等硬目标，它们被称之为“天然PS”)。

对于同一卫星平台，PS在不同时间对其雷达波的散射特性没有变化或者变化很小，即具有稳定的散射特性。基于多时相的卫星SAR影像和这些PS的处理与分析，沉降监测的精度与可靠性得到改善。然而，因高速铁路常常跨越植被覆盖区域或农田区域，这些区域很难获得有效的且数量足够的天然PS，致使这些区域的沉降监测无法执行。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是研究一种与高铁沿线天然永久散射体相对缺少的特点相适应的铁路沉降监测技术，使之克服现有技术的缺点。本发明的目的是通过如下的手段实现的。

该高速铁路沉降监测技术发明的核心是：基于混合永久散射体网络，采用卫星时序差分雷达干涉技术监测高速铁路沉降变化。在高速铁路沿线的农田或植被区域布设固定型与分体式两类人工角反射器，采用自然永久散射体(PS)配合人工角反射器(CR)的方式构建混合散射体网络；混合散射体网络采取自由连接法构网；相邻PS点间的几何距离不大于1千米；所述时序差分雷达干涉技术基于混合散射体网络采用多时相高分辨率短波长卫星SAR影像提取沉降信息。

高速铁路沉降监测的基本过程是：在观测区域进行固定型与分体式两类CR的混合布设→获取一定时间间隔且基线条件较好的高分辨率SAR影像→SAR影像数据处理→天然与人工散射体探测→散射体构网→散射体建模及模型参数估计→混合网平差及解算线性沉降参数→非线性沉降时间序列提取→整体沉降量估计。

本发明可对高速铁路自身及其周边进行大范围的沉降监测。现有高速铁路沉降监测方法主要针对点沉降和局部沉降进行监测，利用GPS网和水准网进行大范围的沉降监测较为困难。本技术通过获取覆盖研究区域的高分辨率卫星SAR影像并对其进行处理，最终获取研究区域大范围的区域性沉降数据。特别地，该技术可在很难获得天然PS的植被覆盖区域或农田区域进行沉降监测，从而整体提高了高速铁路沿线沉降监测的可靠性与精确性。采用本发明的固定型与分体式两类人工角反射器并兼顾布设，可保证植被区域与农田区域的沉降得到有效监测，可达到节约用地面积与降低角反射器监管成本的目的。

附图说明

图1为本发明实施例的混合网络连接示意图。

具体实施方式

图1中间部分为自由连接网，圆点表示散射体点，连线为网络弧段，粗曲线表示高速铁路(主要监测目标)。采用天然永久散射体(PS)配合人工角反射器(CR)地标的方式构建混合网络；混合网络采取自由连接法构网，相邻散射体间的几何距离不大于1千米；基于多时相高分辨率短波长卫星SAR影像，采用时序差分雷达干涉技术提取沉降信息。人工CR点的布设分为两种情况：在高速铁路沿线布设固定型角反射器，在农田、植被覆盖区、绿化带和水域等区域布设移动分体式角反射器。

人工CR采用铝制材料加工，式样采用三面体。人工CR地标可为固定式角反射器和分体式角反射器。人工CR在现场安装时，应参照雷达卫星的系统参数进行定向，以保证CR对雷达信号具有最佳的反射效果。以德国TerraSAR-X雷达卫星的降轨成像情形为例，设置CR时，应保证支撑基座的斜边方位角为9°(即磁方位角约为9°，可用罗盘仪进行现场定向)，CR底板的仰角为14.7°，这两个姿态参数是安装固定型CR的约束条件，同时也是设计、制作和安装分体式CR的约束条件。

选择TerraSAR-X SAR影像为数据源，是考虑到两方面的原因：相比于已有卫星如ERS-1/2、ENVISAT等C波段卫星SAR系统的雷达波长(5.6cm)来说，TerraSAR-X SAR系统的雷达波长更短，仅为3.1cm，这就意味着TerraSAR-X对微小沉降更加敏感，可达到更高的测量精度。此外，TerraSAR-X系统的空间和时间分辨率分别为1米和11天，比其他已有卫星SAR系统(空间分辨率为10米以上，时间分辨率为1个月左右)要好很多。因此，TerraSAR-X系统的这些特征更适合于高速铁路沉降监测。

在计算出混合网络中所有弧的高程误差和线性沉降速率增量后，采用优化处理的方法，先删除混合网络中不满足条件的弧段以及由此产生的孤立散射体点。然后采用最小二乘平差法估计各散射体点的线性沉降速率和高程误差的最或然估计值。该网型虽然计算量大，但通过增加冗余观测量(更多的弧)能增强其可靠性，同时也能保留更多的散射体点，使获得的沉降估计值具有更好的空间分辨率。

作为应用实例，在某高速铁路局部区域内布设了一定数量的固定型与分体式两类人工角反射器，使用15幅TerraSAR-X影像进行沉降信息探测与分析。实际结果表明，监测区域在半年内的最大沉降量为35毫米，最小沉降量为5毫米左右，城市区域最大沉降低于10毫米，而郊区沉降普遍比城市要严重，这给高速铁路的建设及其安全运营带来一定的影响。此外，干涉分析结果与水准沉降监测结果吻合度较高，二者的差异在3-5毫米，表明本技术方案的数学模型、计算方法及所开发的计算软件具有很高的可靠性。

Claims (1)

1.一种高速铁路沉降监测方法，采用时序差分雷达干涉技术监测高速铁路沉降时空变化，其特征在于：采用自然永久散射体配合人工角反射器的方式沿高速铁路构建混合散射体网络；所述混合散射体网络采取自由连接法构网；所述时序差分雷达干涉技术采用多时相高分辨率短波长卫星SAR影像进行沉降信息提取；所述混合散射体网络相邻散射体间的几何距离不大于1千米；所述人工角反射器为固定式角反射器和移动分体式角反射器，在高速铁路沿线布设固定式角反射器，在农田、植被覆盖区和水域区域布设移动分体式角反射器。

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