CN110804912B - 一种铁路线路及沿线区域形变信息的提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路线路及沿线区域形变信息的提取方法，包括：通过获取铁路线路中线位置各里程对应的经纬度坐标P1、观测区域的多个配备角反射器的形变基准点位置的GNSS连续观测值G1以及观测区域内地理坐标系下的地表目标体微波散射点的形变信息S1；根据微波散射点的形变信息S1，以基准点位置的GNSS连续观测值G1做为约束条件，拟合获得形变曲面S2；根据拟合的形变曲面S2及铁路线路中线位置各里程对应的经纬度坐标P1，构建线路区域影响范围；提取观测区域面形变中，在线路区域影响范围内的线路形变S3。本发明通过结合GNSS连续观测和微波散射体形变观测的优势，分离铁路线路及沿线区域的形变信息，提高铁路带状区域表面形变观测精度。

Description

一种铁路线路及沿线区域形变信息的提取方法

技术领域

本发明涉及铁路线路及沿线区域地表形变探测技术，特别涉及一种铁路线路及沿线区域形变信息的提取方法。

背景技术

地表形变包括地面垂向变化与水平面内变化，铁路沿线地面形变是在地质环境因素和铁路运行因素的共同作用下，所产生的一种地表形态变化。地表沉降是一种地质灾害，也是诱发其他灾害的重要原因，和水平位移一起共同对铁路线路产生影响，造成线路形态的改变从而影响铁路运营安全。地表形变受地质因素和人为因素影响一般发展缓慢且形变不可逆，短时间内易被忽视，形变累积为较大位移时对列车运行安全产生影响。需要应用形变探测方法及时掌握目标体形变情况。形变多发生在人口密集人类活动频繁的城市或自然条件复杂人工地面观测成本较高的区域，且不用于传统区域沉降观测，铁路线程带状延伸，跨度大、里程长、精度要求高，形变检测工作需要有力手段。

已有的研究成果表明，GNSS法与卫星合成孔径雷达干涉法均可应用于铁路线路及周边区域形变检测，应用永久散射体干涉测量技术可以高效地对铁路线路及沿线区域进行毫米级别形变探测；应用GNSS连续观测手段可以实现针对单点的毫米级实时形变探测。合成孔径雷达干涉法借助铁路结构体表面的微波散射点进行形变监测，通过提取铁路线路及沿线结构体上的微波散射点的时序形变信息来分析结构体在观测周期内的形变特征，观测范围由铁路影响范围和地面散射条件决定。GNSS形变观测精度与时间分辨率高于合成孔径雷达法，但方法仅能够反映单点位置变化特征，如想对区域形变特征开展研究需要大面积布设，成本较高且维护保养困难。卫星合成孔径雷达法可以同时观测大范围内的形变特征，永久散射体分析法可以追溯观测周期内大范围的形变特征但观测方法时间分辨率低于GNSS连续观测。目前空天测量手段应用于铁路形变观测处于发展阶段，各种观测方法均在不断完善过程中。

因此，为了提高铁路线路及沿线区域形变观测精度，单独使用GNSS技术或合成孔径雷达技术很难满足长带状铁路设施高精度高效形变监测的需求，在铁路线路及沿线区域形变观测工作中存在的问题亟待解决。

发明内容

为了解决GNSS技术和合成孔径雷达干涉技术在铁路线路及沿线区域形变观测工作中存在的问题，尤其是带状区域观测效率和结果精度优化问题，本发明提供一种铁路线路及沿线区域形变信息的提取方法。其通过结合GNSS连续观测和微波散射体形变分析方法的优势，利用形变基准点角反射装置GNSS观测结果对微波散射体形变结果进行修正和拟合，提高形变曲面的精度，并利用铁路线路与沿线区域的空间位置关系对散射点数据进行归集，分离线路及周边区域的形变信息。该方法引入GNSS连续观测信息，有效提高了合成孔径雷达区域形变观测在铁路线路及沿线形变观测应用中的精度。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种铁路线路及沿线区域形变信息的提取方法，包括：

获取铁路线路中线位置各里程对应的经纬度坐标P1；

获取观测周期内铁路线路及沿线观测区域中的多个配置角反射器的形变基准点P2位置的GNSS连续观测值G1；

应用天基微波遥感影像进行InSAR时序分析解算，获得所述观测周期内，观测区域内的地表目标体微波散射点的形变信息S1，S1中包括形变基准点P2位置的角反射点的微波遥感形变数据S11；

根据所述观测区域内的地表目标体微波散射点的形变信息S1，以形变基准点P2位置的GNSS连续观测值G1测网平差结果G11作为优化条件，以同位置微波遥感形变数据S11与G11相对应时刻的形变差做为直接约束条件，拟合获得观测区域的形变曲面S2；

根据拟合观测区域的形变曲面S2及铁路线路中线位置各里程对应的经纬度坐标P1，构建线路区域影响范围；

提取所述观测区域面形变中，且在所述线路区域影响范围内的铁路线路形变S3。

在一个实施例中，所述方法还包括：提取所述铁路线路区域影响范围外的铁路沿线区域地表结构形变S4。

在一个实施例中，所述获取铁路线位中线位置各里程对应的经纬度坐标P1，包括：

根据选取的形变基准点，将所述形变基准点的线路里程信息与线路位置建立映射关系；所述线路位置为经纬度坐标信息；

将线路中线位置离散为点集，根据所述映射关系，获得线路里程离散点集的经纬度坐标。

在一个实施例中，拟合获得观测区域的形变曲面S2，包括：

应用非线性最小二乘法观测区域的形变曲面S2。

在一个实施例中，所述应用非线性最小二乘法观测区域的形变曲面S2，包括：

获取微波散射点的形变点集Dsci＝x_i，y_i，d_i；其中i＝1,2，…m为观测区域微波散射点；x_i，y_i，d_i为微波散射点的经纬度坐标和形变探测值；

将形变基准点位置P2的微波遥感形变数据S11与GNSS连续观测数据点中相应时间的形变数据差值集Dgi＝x_j，y_j，d_j，作为约束条件，其中j＝1,2,…,n为观测区域内形变基准点，x_j,y_j,d_j为形变基准点的经纬度坐标和形变观测值；以G1测网平差结果G11作为优化条件；

拟合目标为观测区域的面形变Dz＝f(x，y)，目标函数满足d_j＝f(x_j，y_j)，j＝1,2,…,n；

根据形变基准点的分布情况对观测区域进行分段，寻找每段内的局部最优解并保持各段间的函数一次导数连续；在区段内满足公式(1)

其中：i＝1,2…k,k<m的条件，且受约束条件d_j＝f(x_j，y_j)，j＝1,2，…n限制；

进行局部寻优，获得观测区域内其他位置的形变信息f＝(x，y)，其中x,y不包括微波散射点和形变基准点位置；

依次实施每段的拟合，获得观测区域的形变曲面S2。

本发明的优点在于，提出了一种铁路线路及沿线区域形变信息的提取方法，通过结合GNSS连续观测和微波散射体形变分析方法的优势，获取铁路线路中线位置各里程对应的经纬度坐标，并对在铁路观测区域的形变基准点位置进行GNSS连续观测，获得观测区微波散射点形变，利用基准点和散射点形变拟合观测区域形变特征，提取线路区域形变信息。

利用GNSS观测结果对微波散射体形变结果进行修正和拟合，提高形变曲面的精度，并利用线路与沿线区域的空间位置关系对散射点数据进行归集，分离线路及周边区域的形变信息。该方法引入GNSS信息有效提高了合成孔径雷达区域形变观测在铁路线路及沿线区域形变观测应用中的精度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的铁路线路及沿线区域形变信息提取流程图。

图2为本发明实施例提供的铁路线路及沿线区域形变信息又一提取流程图。

图3为本发明实施例提供步骤S101的流程图。

图4为本发明实施例提供的微波遥感形变观测结果示意图。

图5为本发明实施例提供的GNSS观测点形变示意图。

图6为本发明实施例提供的微波遥感点形变曲面示意图。

图7为本发明实施例提供的受GNSS点约束的微波遥感点形变曲面示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明提供的一种铁路线路及沿线区域形变信息的提取方法，参照图1-2所示，包括：

S101、获取铁路线位中线位置各里程对应的经纬度坐标P1；

S102、获取观测周期内铁路线路及沿线观测区域中的多个配置角反射器的形变基准点P2位置的GNSS连续观测值G1；

S103、应用天基微波遥感影像进行InSAR时序分析解算，获得所述观测周期内，观测区域内的地表目标体微波散射点的形变信息S1，S1中包括形变基准点P2位置的角反射点的微波遥感形变数据S11；

S104、根据所述观测区域内的地表目标体微波散射点的形变信息S1，以形变基准点P2位置的GNSS连续观测值G1测网平差结果G11作为优化条件，以同位置微波遥感形变数据S11与G11相对应时刻的形变差做为直接约束条件，拟合获得观测区域的形变曲面S2；

S105、根据拟合观测区域的形变曲面S2及铁路线路中线位置各里程对应的经纬度坐标P1，构建线路区域影响范围；

S106、提取所述观测区域面形变中，且在所述线路区域影响范围内的铁路线路形变S3。比如当S2中点位于在以P1为中心，向两侧延伸一定距离L1的带状区域内时，则认为其属于线路区域范围内，该观测点的形变属于铁路线路形变S3。

本实施例中，步骤S102中，应用GNSS连续观测法记录每一个形变观测基准点在微波卫星观测周期内的位置变化，其位置变化包括各时段形变观测基准点的水平位置和高程，例如，选择的采样间隔不大于2小时。由此可得到形变观测基准点所在位置的形变信息作为拟合形变曲面的依据。

步骤S102中，观测周期的设置应依据InSAR方法需要的数据采集周期制定，以TerraSAR-X卫星进行永久散射体形变干涉观测为例，每11天采集一期影像，需至少需要24期影像完成形变观测，则观测周期宜不低于11天/期*24期＝264天。

步骤S103中，是对合成孔径雷达观测的铁路沿线区域的影像进行InSAR时序分析解算，获得与上述步骤S102相同数据周期，观测区域内地理坐标系下，地表目标体微波散射点的形变信息，比如包括微波散射点的形变大小、速率等。地表目标体一般指铁路线路、路基、沿线房屋等。

步骤S104中，通过将观测周期内铁路观测区域的多个形变基准点位置的以基准点位置微波反射形变与的GNSS连续观测值的插值做为约束条件，根据地表目标体微波散射点的形变信息S1，拟合可以获得整个观测区域的形面形变数据。

步骤S105-106中，构建的线路区域影响范围一般为以P1位中心的两侧延伸比如2m的条带，根据线路区域影响范围，提取铁路线路形变S3。基于观测区域面形变数据，依据线路的空间位置关系构建线路区域影响范围，将观测区域面形变中在线路影响范围内的分离到铁路线路形变S3。通过P1与线路所在空间的位置关系将线路区域的形变信息进行提取。

在本实施例中步骤S101、S102和S103可以同时执行，序号并不构成对执行顺序的限定。

本实施例中，通过结合GNSS连续观测和微波散射体形变分析方法的优势，利用GNSS观测结果对微波散射体形变结果进行修正和拟合，提高形变曲面的精度，并利用线路与沿线区域的空间位置关系对散射点数据进行归集，分离铁路线路的形变信息。该方法有效提高了合成孔径雷达形变观测在铁路线路形变观测应用中的精度。

进一步地，参照图1所示，该方法还包括：

S107、提取所述铁路线路区域影响范围外的铁路沿线区域地表结构形变S4。比如当S2中点位于在以P1为中心，向两侧延伸一定距离L2的带状区域外时，则认为其属于铁路沿线区域范围内，该观测点的形变属于铁路沿线区域地表结构形变S4。距离L2不小于上述距离L1，受微波卫星遥感分辨率影响当L2可大于L1，L2与L1差值不大于微波遥感的空间网格大小。

基于观测区域面形变，依据线路的空间位置关系构建线路区域影响范围，将影响区域外的划入沿线区域地表结构形变S4中。区域观测中除去线路形变的信息均为铁路沿线区域形变信息。

利用线路与沿线区域的空间位置关系对散射点数据进行归集，还可以分离周边区域的形变信息。该方法有效提高了合成孔径雷达区域形变观测在铁路线路及沿线区域形变观测应用中的精度。

在一个实施例中，上述步骤S101，参照图3所示，获取铁路线位中线位置各里程对应的经纬度坐标P1，还包括：

S1011、根据选取的形变基准点，将所述形变基准点的线路里程信息与线路位置建立映射关系；所述线路位置为空间经纬度坐标信息；

S1012、将线路中线位置离散为点集，根据所述映射关系，获得线路里程离散点集的空间经纬度坐标。

根据选取的形变基准点，将形变基准点的线路里程信息与线路位置建立映射关系；线路位置为空间经纬度坐标信息；将线路中线位置离散为点集，根据映射关系，获得线路里程离散点集的空间经纬度坐标。

在本实施例中，在选取形变观测基准点后，一般选取铁路CPI点作为形变观测基准点，其中，CPI是基础平面控制网，在框架平面控制网(CP0)或国家高等级平面控制网的基础上，沿线路走向布设，按GPS静态相对定位原理建立的控制网，为线路平面控制网(CPII)起闭的基准。

将线路里程信息与线路位置建立联系。将线路中线位置离散为点集，依据基准点的位置信息，将离散点线路里程与高铁线位经纬度坐标之间建立转换关系，进而获得线路里程离散点集的空间经纬度坐标。

铁路工务系统中，以线路里程表示铁路线上特定点的位置，比如，以线路里程表示铁路线上特定点的位置，K5+278.61表示该点线路中线位置沿路线曲线中线至路线起点5278.61m水平距离，不用经纬度坐标表示铁路线路位置。铁路线路位置测量依据铁路工程测量平面控制网，包括CP0，CPI，CPII和CPIII，每条铁路的里程数与控制网位置固定即Pk(l)＝Pl(l)，Pk为控制网的里程表示，Pl为线路里程；且控制网中各级控制点位置固定，选取精度较高的CPI点位置可得到整个测网的平面位置Pk(l)＝f(x,y)，因此通过获得CPI点的坐标可以转换出整个线路中线的经纬度坐标f(x,y)。

例如K5+278.61转化为相对于某CPI的位置为Pk(l)，再转化为经纬度坐标(39°26′01″，115°25′43″)。

在一个实施例中，应用非线性最小二乘法拟合获得观测区域的形变曲面S2，其拟合过程如下：

1)获取微波散射点的形变点集Dsci＝x_i，y_i，d_i；其中i＝1,2，…m为观测区域微波散射点；x_i，y_i，d_i为微波散射点的经纬度坐标和形变探测值；如图4所示，其中整个曲面散点为微波散射点形变，三角形状示意的线段为GNSS观测的点位置；

2)将形变基准点位置P2的角反射点的微波遥感形变数据S11与GNSS连续观测数据点中相应时间的形变数据差值集Dgi＝x_j，y_j，d_j，作为约束条件，其中j＝1,2,…,n为观测区域内形变基准点，x_j,y_j,d_j为形变基准点的经纬度坐标和形变观测值；以G1测网平差结果G11作为优化条件；如图4所示，为GNSS观测点形变，通过图5可以更加细致的了解GNSS观测点位置的形变情况。

3)拟合目标为观测区域的面形变Dz＝f(x，y)，目标函数满足d_j＝f(x_j，y_j)，j＝1,2,…,n；

由于铁路线路呈带状分布曲面函数较复杂，通常无法直接写出整条线路沿线区域曲面函数的形式，而且地表形变一般具有局部性，影响区域较小不对远距离区域产生影响，因此根据形变基准点的分布情况对研究区域进行分段，寻找每段内的局部最优解并保持各段间的函数一次导数连续。每段内包含2至3个参考点，并认为该段的局部最小值能够使满足形变拟合的需求。

4)根据形变基准点的分布情况对观测区域进行分段，寻找每段内的局部最优解并保持各段间的函数一次导数连续；曲面模型采用二次多项式，则有需要确定5个参数,即f(a0,a1,a2,a3,a4)，在区段内满足公式(1)

其中：i＝1,2…k,k<m的条件，且受约束条件d_j＝f(x_j，y_j)，j＝1,2,…,n限制；

采用Levenberg-Marquardt Method法进行局部寻优，获得区域内其他位置的形变信息f(x,y)其中x，y不包括微波散射点和形变基准点位置。依次实施每段的拟合，最终获得观测区域的形变信息，由于有d_j＝f(x_j，y_j)，j＝1,2,…,n的限制，其精度高于微波观测的结果。

其中，微波遥感散射点拟合曲面如图6所示，经过约束微波遥感散射点拟合曲面如图7所示，其体现了更多GNSS点反映的信息，特别在GNSS点附近区域。

本发明提供的一种铁路线路及沿线区域形变信息的提取方法，建立观测区域形变基准点并进行GNSS连续观测，获得观测区微波散射点形变，利用基准点和散射点形变拟合观测区域形变特征，提取线路区域形变和沿线区域地表结构形变信息，通过结合GNSS连续观测和微波散射体形变分析方法的优势，利用GNSS观测结果对微波散射体形变结果进行修正和拟合，提高形变曲面的精度，该方法有效提高了GNSS与合成孔径雷达区域形变观测在铁路线路及沿线区域形变观测应用中的精度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种铁路线路及沿线区域形变信息的提取方法，其特征在于，包括：

获取铁路线路中线位置各里程对应的经纬度坐标P1；

获取观测周期内铁路线路及沿线观测区域中的多个配置角反射器的形变基准点P2位置的GNSS连续观测值G1；

应用天基微波遥感影像进行InSAR时序分析解算，获得所述观测周期内，观测区域内的地表目标体微波散射点的形变信息S1，S1中包括形变基准点P2位置的角反射点的微波遥感形变数据S11；

根据所述观测区域内的地表目标体微波散射点的形变信息S1，以形变基准点P2位置的GNSS连续观测值G1测网平差结果G11作为优化条件，以同位置微波遥感形变数据S11与G11相对应时刻的形变差做为直接约束条件，拟合获得观测区域的形变曲面S2；

根据拟合观测区域的形变曲面S2及铁路线路中线位置各里程对应的经纬度坐标P1，构建线路区域影响范围；

提取所述观测区域面形变中，且在所述线路区域影响范围内的铁路线路形变S3；

其中，拟合获得观测区域的形变曲面S2，包括：

应用非线性最小二乘法拟合获得观测区域的形变曲面S2；获取微波散射点的形变点集Dsci＝x_i，y_i，d_i；其中i＝1,2，…m为观测区域微波散射点；x_i，y_i，d_i为微波散射点的经纬度坐标和形变探测值；

将形变基准点P2位置的微波遥感形变数据S11与GNSS连续观测数据点中相应时间的形变数据差值集Dgi＝x_j，y_j，d_j，作为约束条件，其中j＝1,2,…,n为观测区域内形变基准点，x_j,y_j,d_j为形变基准点的经纬度坐标和形变观测值；以G1测网平差结果G11作为优化条件；

拟合目标为观测区域的面形变Dz＝f(x，y)，目标函数满足d_j＝f(x_j，y_j)，j＝1,2,…,n；

根据形变基准点的分布情况对观测区域进行分段，寻找每段内的局部最优解并保持各段间的函数一次导数连续；在区段内满足公式(1)

其中：i＝1,2…k,k<m的条件，且受约束条件d_j＝f(x_j，y_j)，j＝1,2,…,n限制；

进行局部寻优，获得观测区域内其他位置的形变信息f＝(x，y)，其中x,y不包括微波散射点和形变基准点位置；

依次实施每段的拟合，获得观测区域的形变曲面S2。

2.根据权利要求1所述的一种铁路线路及沿线区域形变信息的提取方法，其特征在于，所述方法还包括：

提取所述铁路线路区域影响范围外的铁路沿线区域地表结构形变S4。

3.根据权利要求1所述的一种铁路线路及沿线区域形变信息的提取方法，其特征在于，获取铁路线位中线位置各里程对应的经纬度坐标P1，包括：

根据选取的形变基准点，将所述形变基准点的线路里程信息与线路位置建立映射关系；所述线路位置为空间经纬度坐标信息；

将线路中线位置离散为点集，根据所述映射关系，获得线路里程离散点集的空间经纬度坐标。

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