地质灾害雷达遥感应用潜力分析

综合了我国地质灾害遥感的应用现状 ,着重分析了成像雷达遥感在地质灾害调查识别、监测、预警中具有的独特优势 ,特别是随着新型成像雷达遥感技术 (极化、干涉雷达 )的发展 ,基于干涉雷达发展的差分干涉测量技术能以厘米量级甚至更小尺度测量地表形变 ,在地质灾害研究中能提供定量的动态信息 ,为地质灾害遥感应用研究注入了新的活力。并指出以雷达 (SAR)遥感信息为主的多源信息复合解译能为地质灾害的调查提供更为方便、准确、及时、动态的信息     

青藏线多年冻土区路基形变星载SAR差分干涉测量应用探讨

近年来,蓬勃发展的合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)对地观测技术为从空间进行地表形变测量和长期监测提供了可能。研究了差分干涉测量技术的形变测量原理、数据处理流程和误差影响因素,对比分析了D-InSAR技术与传统地面测量方法的优缺点。指出星载合成孔径雷达差分干涉测量技术应用于青藏线多年冻土区路基形变长期监测具有某些不可替代的独特优势,而且技术上可行。     

合成孔径雷达干涉测量技术及铁路工程应用分析

研究目的:介绍合成孔径雷达干涉测量新技术的原理、干涉数据几何模式、数据处理流程、高程干涉测量和形变差分干涉测量方法;比较雷达干涉测量技术与当前常用的数字高程模型生产方法,分析铁路地质灾害监测与青藏线多年冻土区形变长期监测应用星载合成孔径雷达差分干涉测量技术的潜力.研究结论:(1)与常用的DEM生产方式相比较,合成孔径雷达干涉测量技术具有一些独特优势,适合快速获取各种范围、高精度、高分辨率的DEM;(2)在铁路勘测设计DEM获取、铁路地质灾害遥感监测和青藏线多年冻土区形变测量等方面应用潜力巨大,建议铁路工程部门开展该技术的应用研究.     

基于FPSS技术的被动网落石报警系统研究

研究目的:铁路沿线发生崩塌落石灾害的事故大量存在,不胜枚举,如何保证其运营安全,已变得越来越重要。鉴于此情况,迫切需要研制一套能够满足各种条件下的高危路段沿线无人值守、自动发现障碍物,并能够为列车提供预警的自动监测系统。本文通过应用FPSS(分布式光纤周界告警系统)技术实现了铁路沿线被动网落石的振动分析报警功能。研究结论:(1)利用FPSS光纤传感技术进行系统开发,可应用于铁路沿线被动网落石振动分析报警,可实时、无人值守、全天候监测铁路沿线被动网落石情况,保障铁路运营安全;(2)本系统的成功设计可实现铁路被动网落石的振动信号获取、信号干涉解调、信号采集、信号分析处理全流程;(3)工程实际应用表明,其能满足铁路边坡落石病害监控的要求;(4)该研究成果可应用于铁路、公路落石报警领域。     

遥感技术在既有铁路地灾防治中应用方法研究

研究目的:我国铁路运营里程已超过13万公里,其中山区铁路众多,沿线地质灾害多发,给铁路运营安全带来极大挑战。为探索既有铁路灾害防治经济高效的技术手段,研究利用三维遥感、雷达遥感、无人机遥感、卫星定位等技术手段,开展既有铁路沿线地质灾害筛查监测工作。研究结论:(1)通过高分辨率三维遥感解译技术,可实现既有线一定缓冲区内的滑坡、崩塌、泥石流等灾害的快速筛查,并通过数据解译更新,及时掌握既有铁路沿线灾害发育演变特征;(2)无人机遥感技术在局部高陡边坡、危岩落石及大型滑坡及错落等灾害调查中优势明显;(3)雷达干涉测量技术可作为边坡形变监测的有效手段;(4)建立基于北斗卫星定位系统的既有铁路地质灾害实时监测和信息管理系统,能够提升既有铁路防灾减灾和信息化管理水平;(5)本研究成果可广泛应用于山区铁路防灾减灾工作。     

综合遥感技术在山区铁路泥石流勘察中的应用

为了解决传统泥石流勘察中存在效率低、盲区多、风险大等问题,采用小基线集雷达干涉测量(SBAS-InSAR)和无人机低空遥感两种技术手段(前者通过密集像获取植被覆盖区域高可靠性的形变信息;后者通过区域网平差等处理获取高分辨率实景三维模型),综合形变与影像纹理,对某山区铁路沿线泥石流沟谷开展勘察分析,获取流域内地质灾害隐患的时空分布情况。结果表明,通过SBAS-InSAR技术,发现该泥石流沟谷存在多处随季节变化的活动隐患体,最大形变量为28.5 mm/a;依据无人机实景三维模型,完成形变隐患体的空间形态、方量、产状及发育情况的详查,其中最大规模的滑坡体方量为(16.5～18)万m³。现场调查显示,综合遥感技术可有效克服山区地形复杂,人不易至的难题,为灾害筛查提供多维度视角,具有人员投入少、监测面积广、灾害定位快以及筛查精度高等优势。     

卫星遥测高原冻土路基沉降变形研究初探

研究目的:高原冻土的不稳定性使进行冻土区路基变形监测分析极其重要,但受限于高原严酷自然环境条件,当前利用地面现场测量来分析多年冻土路基变形的方法,开展工作极为困难。卫星雷达差分干涉(D-InSAR)技术是近年来出现的无需地面现场测量作业,能够获得大范围地表覆盖区域连续点、线、面沉降信息的一种全新地表变形监测分析方法。针对特殊困难环境下高原多年冻土区路基变形监测与分析问题,讨论利用卫星D-InSAR"空间遥测"多年冻土区路基表面沉降变形的必要性、可行性和应用研究价值及意义。研究结论:在青藏高原这种特殊困难的自然地理条件下,采用卫星D-InSAR进行多年冻土区路基变形分析,对改善劳动条件、提高监测效率、减少费用、最大限度地减少极其困难的地面人工测量工作量,能起到明显的积极作用,对于高原冻土区国家重要基础设施长期监测系统建设有重要工程现实意义;利用D-InSAR获得的独特路基地表变形信息,可实现从大范围连续点、线、面3种角度,分析高原冻土路基变形的时空特征和规律,有望从空间全局的分析角度获得冻土路基变形新发现或新知识,从而为冻土路基稳定性评价提供新的科学依据,也为更深入地研究冻土工程变形开拓新思路。     

鲁南高铁沿线地面沉降现状及原因分析

为了研究鲁南高铁沿线的地面沉降问题,在综合分析沿线区域地质、水文地质特征的基础上,通过整理长序列的水文监测资料及地面形变监测资料,采用常规D-InSAR和时序InSAR分析相结合的解译方法,得到了鲁南高铁沿线地面沉降的分布特征,并根据InSAR解译的地表形变离散点划分沉降段落,综合考虑不同段落的地层特征、地下水开采程度、工程建设规模等方面的因素,对引起地面沉降的原因进行研究。研究表明:济宁城区、菏泽城区地面沉降量较大,主要原因为地下水的超量开采,采空区塌陷、岩溶塌陷、深基坑降水也会造成不同程度的地表变形,产生不均匀沉降。高铁选线应避开沉降严重段落和不均匀沉降易发区,完善沿线地面的监测网络,做好地面沉降的监测及预测,制定可行的控沉措施,确保高铁的运营安全。     

基于PS-InSAR技术的连盐高铁灌河特大桥形变监测与分析

桥梁形变监测对发现桥梁安全隐患，避免桥梁安全事故发生具有重要意义。与传统桥梁监测方法相比，永久散射体合成孔径雷达干涉测量(Permanent Scatter Synthetic Aperture Radar Interferometry, PS-InSAR)技术以其监测成本低、监测范围广、监测精度高和非接触等优势，在大范围桥梁形变监测中具有潜在优势。以连盐高铁灌河特大桥为研究对象，利用时间跨度为2018年1月至2020年12月的89景C波段中分辨率Sentinel-1A数据，使用PS-InSAR技术提取灌河特大桥的形变信息，并将监测结果与同期北斗(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)观测数据进行比较。结果表明：在监测时间段内，灌河特大桥形变速率范围为1.7～5.3 mm/a,时序形变平均值趋近0,桥梁整体保持稳定；PS-InSAR和BDS对比结果的均方根误差在6 mm之内，二者取得了较好的一致性。研究结果证实了C波段中分辨率Sentinel-1A数据监测大跨度刚桁梁柔性拱桥的可行性，可为桥梁的风险管理和灾害预警提供参考依据。     

地基雷达干涉测量技术在城轨交通变形监测中的应用

地铁施工可引发大范围地面沉降,容易造成地面塌陷、地下管道及地面建筑物损毁。以武汉地铁8号线梨园站为例,利用地基雷达干涉测量技术(地基In SAR)对其施工引发的不均匀地面沉降进行自动化连续成像监测。监测分析表明,地基InSAR技术能够有效获取地铁施工区域高精度、高分辨率不均匀形变场;大部分地区的形变累积量在10 mm以内,满足地铁施工对周边道路和建筑物影响要求。     

基于合成孔径雷达差分干涉测量技术的济南轨道交通1号线地表沉降监测

针对传统水准测量点观测的工作量大、易受外界环境影响、观测结果不直观等问题,利用20景Sentinel-1A卫星数据,依托合成孔径雷达差分干涉测量技术的空中遥感、形变敏感度高、微波穿透力强、几乎不受气象制约等特点,对济南轨道交通1号线地表沉降进行监测探究,并与传统精密水准测量数据进行对比分析。结果表明:此方法可直观显示济南轨道交通1号线沿线周围地表沉降情况,且监测结果与传统精密水准测量监测结果间的一致性很高,对轨道交通建设和运营的安全管理、安全预警具有一定的参考意义。     

DInSAR技术在成昆铁路复线路基及边坡垂直变形监测中的应用

针对常规铁路路基及边坡垂直变形监测技术效率较低、局限性较大的问题,本文将合成孔径雷达差分干涉测量(Differential Interferometric Synthetic Aperture Radar,DInSAR)技术引入铁路路基及边坡的垂直变形监测中。以成昆(成都-昆明)铁路复线越西段一处(R1区域)路基及边坡为依托,利用4期ALOS-2卫星PALSAR-2高分辨率合成孔径雷达影像,研究DInSAR技术在路基及边坡监测中应用的可行性。结果表明:在监测的126 d内,R1区域地表垂直变形速率为0.12^-0.13 mm/d;以水准测量监测结果为真值,经误差分析得出DInSAR监测中误差为7.57 mm;在污水处理厂的应用实践证明,雷达影像与高分辨率遥感影像、无人机影像等光学影像的互补使用是解决铁路工程领域监测问题的有效途径;DInSAR监测得到的点(像元)密度远大于水准点的密度,能更好地反映区域性地表变形的细节特征。     

红外线车号设备故障预警系统

使用公用电话网(PSTN)的远程分布式集中监测系统可以实时可靠地监测铁路沿线探测设备的主要技术参数。文章介绍了该系统的结构、功能设计和实现方案。     

利用平面特征和邻域信息改正的激光雷达形变监测方法研究

地面激光雷达形变监测过程中,多期数据间的残余系统误差和激光点的偶然误差对监测结果有较大影响。采用平面特征和邻域信息的改正方法:针对残余系统误差,提取稳定区域的至少3组平面进行拟合,利用平面的法向量和交点计算多期数据间的旋转量和平移量,对系统误差进行改正;针对激光点的偶然误差,对点云构建kd-tree,搜索k邻域计算重心,利用其邻域信息对偶然误差进行削弱。以某隧道口岩体监测实验为例,对提取形变的均值和标准差进行统计,该方法对系统误差的改正量达80%以上,并可将形变提取精度提高2倍。结果表明,利用平面特征和邻域信息的改正方法,能够有效地对多期数据间残余的系统误差进行改正,并削弱激光点偶然误差的影响,可以更准确、有效地分离及提取形变。     

TS-DInSAR大区域多尺度沉降监测与精度评定

合成孔径雷达时序差分干涉(TS-DInSAR)已被广泛应用于高铁沿线大区域、多尺度的地面沉降监测方面,但缺乏相应的精度指标。因此,可利用升降轨平台时序解算结果和大量精密水准数据,对大区域内不同尺度的沉降监测结果进行精度评定和分析。研究区域覆盖北京、天津和雄安新区等(面积约3.4×104km2)京津冀核心区域,选取2015年11月～2018年3月51景降轨Sentinel-1A/B和2016年5月～2018年2月44景升轨Sentinel-1A作为数据源,利用TS-DIn SAR分别获取的升降轨平台沉降速率进行交叉验证;另一方面,结合PS点至解算参考点的距离、多尺度沉降速率等精度影响因素,利用大量高铁沿线精密水准数据对同时段PS点的沉降量进行详细的精度评定。研究表明,研究区域内存在不同尺度的沉降,有较多沉降漏斗;升降轨平台监测结果基本一致,标准差为6.47 mm/a;利用大量高铁沿线水准数据对同时段升轨平台沉降量进行验证,中误差为4.17 mm,PS点沉降监测误差与至参考点的距离呈线性关系,在20～80 km的距离内,中误差由2.9 mm递增到4.17 mm;同时,沉降监测误差与PS点沉降速率之间呈现随机分布关系,证明在沉降速率90 mm/a以内的不同尺度沉降监测精度基本相同。研究结果显示:TS-DInSAR能够为平原区域内的基础设施沿线区域沉降监测提供精度可靠的时序数据集,获取的TS-DInSAR沉降监测精度参考指标可应用于高铁等重大基础设施的勘测和运营。     

用雷达干涉测量与雷达立体测量生产数字高程模型的试验

雷达干涉测量 (InSAR)和雷达立体测量 (Radargrammetry)是正处于发展中的两种主动遥感新技术。前者利用反射雷达波 (微波 )的相位信息 ,而后者利用其强度 (灰度 )信息。二者的基本工作原理虽存在本质区别 ,但均可基于雷达像对生成大范围的数字高程模型。本文介绍雷达干涉测量和雷达立体测量的基本原理和数字高程模型生产方法。以台湾和香港局部地区为试验区 ,展示利用它们生成数字高程模型的研究实例 ,并分析他们各自的技术优势和应用局限性 ,旨在引起铁路线路勘测设计工作者对这些新技术发展的关注。     

地基InSAR技术在昌吉赣高速铁路路基边坡监测中的应用研究

针对昌吉赣高速铁路某边坡在抗滑桩治理后仍存在变形问题,本文采用地基InSAR技术对其进行高精度监测试验。结果表明:(1)在参数合理设置情况下,地基InSAR雷达回波信号较强,能够获取该边坡毫米级微小形变场;(2)该抗滑桩加固边坡在监测期间变形趋势较为平缓,大部分形变累积量在3 mm以内,部分区域形变累积量达到5～6 mm,说明该边坡整体相对稳定;(3)地基InSAR与全站仪监测结果较为吻合,但相比全站仪单点位移观测相比,地基InSAR技术具有监测范围大、时间和空间分辨率高等优势,可有效监测分析边坡形变空间特征及变化趋势。本文监测结果为该边坡稳定性评价提供了重要基础资料,初步验证了地基InSAR在高铁边坡稳定性监测中的可行性及其应用潜力。     

京津冀地区高速铁路沿线区域地表沉降监测及时序演化态势分析

为探测京津冀地区高速铁路沿线区域的不均匀沉降,利用基于合成孔径雷达干涉的干涉点目标时序分析技术,借助C波段SAR卫星序列在2015年11月至2018年3月间获取的51景降轨影像数据,提取研究区域的地表形变信息,结合地下水的动态变化及人类活动相关资料对沉降漏斗的演化态势进行归因性分析,并对该区域高速铁路沿线地表沉降监测及时序演化态势进行分析。结果表明:研究区域的年沉降速率为20~206mm·a^-1,漏斗中心最大累积沉降量达248mm,其中,区域内3条高铁沿线均存在明显的沉降,沉降速率均超过100mm·a^-1,最大值位于高铁路线的雄安县段,漏斗中心沉降速率达185mm·a^-1,累积沉降量为200mm;研究区域的整体沉降趋势稳定,沉降主要归因于人类活动,而高速铁路沿线的沉降与地下水开采密切相关。     

高速铁路桥梁雷达非接触测试技术研究

研究目的:我国高速铁路已超过3万公里,桥梁里程占比较大,桥梁数量众多、桥型多样、结构复杂,未来将面临大规模的检测和养护任务。因高速铁路的封闭式运营,桥梁检测的安全性及时效性要求较高,亟待研究发展线外远程非接触的测试技术,为高速铁路安全运营提供技术保障。研究结论:(1)差分干涉微波雷达具有连续、动态、远距离非接触和全天候、全天时等优点,能对高速铁路桥梁的结构参数进行在线监测;(2)在保证铁路正常运营的条件下,在线路外对武汉天兴洲长江大桥拉索频率以及铁路层桥面动态挠度进行了监测,取得了较好的效果,具有推广借鉴意义;(3)雷达对多根拉索的中部动态形变同步进行有效测试,振动信号显著及频率分辨率高,不仅能够提取拉索本身各阶频谱,而且能够准确提取桥梁结构整体的模态频率;(4)雷达测试技术可广泛应用于高速铁路桥梁结构力学参数的在线诊断,对结构的健康状态进行评估。     

基于WebGL的高速列车在线运行及沿线虚拟地理环境仿真

为实现Web环境下构建高速铁路沿线虚拟地理环境,模拟高速列车运行,首先确定多层次虚拟地理环境的语义组织方式并对铁路沿线地形表面进行多尺度数据建模;再基于GIS技术构建场景数据与基础地理数据的发布与分布式存储方案;最终基于WebGL技术提供集成高速铁路轨道、多尺度遥感影像、数字地表模型等多源数据的铁路沿线虚拟地理环境无插件构建方法,并提供列车信息管理及运行仿真方案。以高铁郑西线为案例线路的实践表明:方案考虑多尺度地形与地物建模、网络环境下大场景渲染、复杂地形的高效率可视化等问题,实现了铁路沿线虚拟地理环境构建和列车运行仿真,对高速铁路列车运行仿真有重要参考价值。