基于时序InSAR数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法与流程

本发明涉及城市隧道沉降监测领域，尤其涉及一种基于时序insar数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法。

背景技术：

0、技术背景

1、随着经济的发展和城市化水平的提高，城市人口数量越来越多，为满足城市的正常运转，城市基础设施得到了飞速发展。电力隧道是城市的生命线工程，其运营安全是保证城市正常运转的前提。电力隧道投入运营后，往往会产生沉降，而地面超载是引起隧道沉降的重要原因。近年来，由于城市的不断发展，隧道遭受地面荷载影响的情况越来越多，超载作用特点是具有突发性、不易察觉的特点，为了保证电力隧道安全，需要定期地面超载的排查并开展隧道沉降的监测，保证电力隧道运营安全。

2、隧道沉降监测能为判断结构安全提供数据支撑，定期开展超载作用下隧道沉降的监测，及时掌握沉降发展情况，对判断电力隧道结构安全具有重要意义。

3、常用的隧道沉降测量手段有人工水准测量、自动化水准等方法，此类方法具有测量精度高、易于操作等优势。但是此类方法需要人工操作或安装仪器，隧道工程属于线状工程，具有里程长的特点，超载作用特点是具有突发性、不易察觉的特点，因此，在面临突发地面荷载作用时，以上手段往往难以及时获取隧道沉降数据。同时在实际工程中，人工监测往往存在监测频率不足的问题，长距离、高频率的隧道监测会耗费大量的人力物力。

4、合成孔径雷达(synthetic aperture radar，sar)通过对地表发射微波并记录回波信号，获取地面的sar影像，通常一张sar影像可以覆盖几百平方公里。合成孔径雷达干涉测量技术(synthetic aperture radar interferometry)通过对sar影像进行干涉处理，形成干涉图，可以反演地面高程。ps-insar(permanent scatterer insar)技术通过处理多个干涉图，来提取干涉图的相位信息，以此来获取地面沉降，理论上ps-insar技术可以获取毫米级的地面变形。ps-insar技术具有监测范围广、测点密度高、数据处理效率高、能获取历史数据等优势，近年来被广泛应用于地面沉降的调查和基础设施的监测。

5、ps-insar技术通过分析sar影像中在时间序列上保持高相干性的点，即永久散射体点(permanent scatterers,pss)，这些点可以是建筑物、灯塔、岩石、混凝土堤坝以及人工布设的角反射器等等，其回波信号和散射特性在长时期内都能保持相对稳定，通过对这些点进行建模及形变解算，便可以获取其沉降信息。

6、(1)差分干涉图的生成。在给定的n+1幅sar影像中会选取一幅影像作为主影像，主影像选取主要考虑时间相干性、空间相干性、多普勒相干性和热噪声相干性等因素，以总体相干性系数作为选择主影像的依据，总体相干性系数计算如公式(1)所示：

7、ρtotal＝ρtemporalρspatialρdopplerρthermal (1)

8、其中：ρtotal为总体相干性系数，用于判定主影像选取质量；ρtemporal为时间基线相干性系数；ρspatial为空间基线相干性系数；ρdoppler多普勒相干性系数；ρthemal为系统热噪声系数。

9、主影像确定后，将其余的n幅sar影像分别与主影像进行干涉处理，引入外部数字高程模型(dem)消除地形相位，得到n幅差分干涉图。

10、(2)ps点的识别。ps点的识别就是在给定的n+1幅影像中，挑选出那些在长时间上散射特性较强并且较为稳定的像素。在信噪比(snr)较高的情况下，振幅离差指数与相位标准差较为接近，可以用相位标准差σv来识别ps点，即：

11、

12、其中，σv为相位标准差；σa为振幅标准差；ma为振幅平均差；da为振幅离差指数。

13、(3)形变解算。在选取的ps点基础上，构建delaunay三角网，建立相邻两点间的相位差与形变速率和高程改正的函数关系模型，通过对模型进行求解实现各相位分量的分离，最终确定出形变分量。

14、目前在利用ps-insar技术开展基础设施沉降监测领域，缺少对隧道沉降的研究，同时没有地面超载下采用insar地面沉降计算隧道沉降的方法。

15、

技术实现思路

1、技术方案：

2、一种基于时序insar数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、第一阶段利用卫星数据，处理得到隧道轴线点位地面沉降值

4、(1)确定需要获取隧道沉降数据的时间段，选取对应时期的sar影像；

5、(2)采用ps-insar技术处理得到地面沉降变形信息，该ps-insar沉降测量结果应包含ps点的定位、年形变速率大小以及每一期时间的时间序列变形信息；

6、(3)将ps-insar得到的卫星视线方向的变形信息转化为垂直方向变形；

7、(4)对结果进行进一步插值，得到隧道区域整个的地面年沉降速率、每一期的沉降；

8、(5)数据质量评估，以提高隧道沉降观测精度：

9、(5.1)采用同时期内不少于三个地面水准观测点对拟合结果进行验证，完成大尺度的数据质量评估；

10、(5.2)基于隧道轴线信息建立隧道轴线点位，采用隧道轴线点位30m半径内的ps点数量衡量insar数据质量，以进一步完成小尺度的数据质量评估；

11、(6)采用隧道点位提取获得隧道轴线地面沉降信息；

12、第二阶段收集地面超载和地层信息，计算隧道上方土层附加应力，进而计算隧道上方的土层沉降

13、(7)排查电力隧道沿线地面超载，确定超载作用形式、位置、大小及作用年限信息，计算隧道上方地层的附加应力；

14、(8)收集隧道沿线超载作用范围内的土层参数信息，需要包括土层的压缩系数，土层厚度，固结系数及隧道埋深；

15、(9)采用应力面积法计算隧道上方土体对应时间的沉降变形

16、第三阶段处理得到隧道变形

17、(10)采用隧道轴线点位地面沉降减去隧道上方土层沉降变形，计算得到隧道沉降。

18、

19、与现有技术相比，本发明技术方案实施后的有益效果：传统隧道测量手段面临突发荷载时，往往难以获取荷载作用初期的隧道沉降，本发明基于ps-insar技术，技术方案实施后，在数据上能够获取历史数据数据，可以追溯荷载作用初期的隧道沉降，弥补了传统手段在突发荷载情况下数据难以获取的问题；另一方面，传统手段需要人力测量，同时需要布设隧道内部测量设备，而本发明采用sar影像获取地面沉降，再计算隧道沉降，由于sar影像可以覆盖整个城市，因此本发明可以实现整个城市超载作用下隧道网络的隧道沉降预测，成本低且数据自动处理，大大减少了人力物力的消耗，节约了监测费用，经济性好。

技术特征：

1.一种基于时序insar数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于时序insar数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法，其特征在于：所述步骤(1)中，采用ps-insar技术获取隧道区域地面沉降数据，tsar1为第一张sar影像获取日期，tload为超载作用时期，且第一张sar影像获取日期应在超载作用日期之前：

3.根据权利要求1所述的一种基于时序insar数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法，其特征在于：所述步骤(3)中，采用以下方法将卫星视线方向的变形信息转化为垂直方向变形：

4.根据权利要求1所述的一种基于时序insar数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法，其特征在于：所述步骤(4)中，选取超载作用段隧道轴线两侧100m以范围内的结果进行插值；

5.根据权利要求1所述的一种基于时序insar数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法，其特征在于：所述步骤5.1中，应采用3个以上四等水准以上隧道数据对拟合结果进行验证，需要进行现场测量，准确记录水准点实际经纬度位置。

6.根据权利要求1所述的一种基于时序insar数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法，其特征在于：所述步骤5.2中，利用arcgis建立隧道轴线点位提取insar插值得到的地面沉降，隧道点位坐标系应与insar插值结果坐标系保持一致，隧道点位距离按照隧道工程管片长度建立，如下式：

7.根据权利要求6所述的一种基于时序insar数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法，其特征在于：所述步骤5.2中，以隧道轴线点位半径30m范围内ps点数量来衡量insar地面沉降质量，即：

8.根据权利要求1所述的一种基于时序insar数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法，其特征在于：所述步骤(7)中：

9.根据权利要求1所述的一种基于时序insar数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法，其特征在于：所述步骤(9)中，假定地面超载是地面以下整个地层的沉降，隧道沉降是由隧道以下地层沉降产生，隧道沉降由以下公式计算：

10.根据权利要求9所述的一种基于时序insar数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法，其特征在于：所述步骤(9)中，隧道上方地层沉降ssoil采用应力面积法进行计算，附加应力作用下，隧道上方地层的最终沉降量采用以下公式计算：

技术总结
本发明公开了一种基于时序InSAR数据的地面超载诱发的电力隧道沉降观测方法。所述方法包括：采用InSAR地面沉降数据减去隧道上方地层的沉降来获取隧道沉降，采用时间序列InSAR得到电力隧道沿线区域的地面沉降数据；采用克里金插值法对时间序列InSAR地面沉降结果进行插值，并采用水准数据对结果进行验证；以隧道轴线坐标为基础，以隧道管片直径为间隔建立隧道点位，降提取隧道轴线地面沉降；确定超载大小、形式和作用历史，采用应力面积法计算隧道上部土体沉降；采用超载作用区域隧道轴线地面沉降数据减去隧道上方土层的沉降，得到隧道沉降。本发明可以低成本定期大范围开展超载作用下隧道沉降数据获取，及时捕捉隧道沉降趋势，进而可用于判断隧道安全状态。

技术研发人员：肖斌,陆小龙,潘瑾,丰碧泓,胡悦,谢雄耀,柴隆,周彪,王承
受保护的技术使用者：国网上海市电力公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1