1. 标题

· 雷达干涉测量技术在青藏高原铁路工程形变监测中的应用

2. 成果信息

Zhang, Z., Wang, M., Liu, X.,* et al., (2019) "Deformation Feature Analysis of Qinghai–Tibet Railway Using TerraSAR-X and Sentinel-1A Time-Series Interferometry," IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. doi: 10.1109/JSTARS.2019.2954104

https://ieeexplore.ieee.org/document/8932541

Zhang, Z., Wang, M., Wu, Z., & Liu, X.* (2019). Permafrost Deformation Monitoring Along the Qinghai-Tibet Plateau Engineering Corridor Using InSAR Observations with Multi-Sensor SAR Datasets from 1997–2018. Sensors, 19(23), 5306. https://doi.org/10.3390/s19235306

资助信息：国家自然科学基金（编号：41801348、41930110），中国科学院重点实验室开放基金（编号：2017LDE006）

3. 成果团队成员

张正加（第一作者）博士，中国地质大学（武汉）华人策略研究论坛，讲师，主要从事InSAR算法及其在滑坡、矿区地表沉降、青藏高原冻土工程应用等方面的研究。Email:zhangzj@cug.edu.cn

王猛猛 博士，中国地质大学（武汉）华人策略研究论坛，讲师，主要从事热红外遥感及其在生态环境的应用研究。Email: wangmm@cug.edu.cn

刘修国（通讯作者）博士，中国地质大学（武汉）华人策略研究论坛，教授，主要从事遥感信息提取及其地学应用、地学大数据建模及可视分析等方面的研究。Email: liuxg318@163.com

4. 成果介绍

青藏铁路自格尔木至拉萨段位于青藏高原区域，北起青海省格尔木市，经五道梁、沱沱河、安多、那曲、当雄、羊八井至拉萨，全长1100余公里，全线海拔4000m以上路段超过900公里。在全球气候变暖、青藏高原多年冻土退化和人类活动不断增多的背景下，青藏铁路路基稳定性的问题显得尤为突出，因此急需对青藏铁路工程的稳定性进行监测与评估。

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）作为一种新型的地表形变监测手段，其监测面积广、空间分辨率高等特点弥补了传统测量技术的不足，为大范围地表沉降、山体滑坡、重大工程形变监测提供了一种新的选择。本文收集了9景ERS-1 (1997-1999), 39景 ENVISAT （2004-2010），13景TerraSAR-X (2014-2016), 40景 Sentinel-1A (2015-2018), 利用雷达干涉测量技术，构建了一种结合长时间线性形变和短时季节性形变的冻土形变模型，对1997-2018年间青藏高原冻土工程走廊五道梁至沱沱河路段冻土形变进行监测，在此基础上分析了青藏铁路修建、冻土类型对冻土地表形变的影响。另外探讨了高分辨和中低分辨率SAR在铁路路基形变监测中的特点和潜力。

图1 研究区位置和SAR图像覆盖范围

研究结果表明（图2）：在青藏铁路修建之前，青藏冻土工程走廊地表比较稳定(ERS-1结果，1997-1999)，大部分区域形变速率在-5mm/year至5 mm/year。在青藏铁路通车以后（ENVISAT结果，2004-2010），冻土工程走廊整体稳定，大部分区域形变在-10mm/year 以内，部分地区存在明显形变。在近4年（Sentinel-1A结果，2015-2018），部分路段出现形变扩大的趋势，在北麓河和沱沱河地区最大的沉降速率超过了-20mm/year。同时将Sentinel-1A 与TerraSAR-X在北麓河地区的结果进行对比，两者结果之间表现出一致性。

图2 估计的青藏铁路沿线走廊的年沉降速率（a）ERS-1 1997-1999, (b) ENVISAT 2004-2010, (c) Sentinel-1A 2015-2018

在此基础上，分析了高分辨SAR和中低分辨率SAR在监测铁路形变中的优势和劣势。在Sentinel-1幅度图中青藏铁路和青藏公路表现为两条亮线，无法区分青藏铁路各部分结构。铁路的结构，如碎石路、护坡，路肩，和道渣层等，在高分辨率SAR图中表现为强散射亮线在SAR图中清楚地辨识出(图3)。研究发现在北麓河高分辨结果中多处形变表现左右不对称性，包括铁路路肩、铁路路桥过渡段以及实验路基沉降，铁路路基左右护坡的形变量表现出不对称性，差异量达到了10mm/year。分析表明这种形变的不对称性由阴阳坡效导致的。

图3 （a）青藏铁路路基剖面结构示意图，（b）低分辨率Sentinel-1A, （c）超高分辨SAR图像,（d）野外照片

随着星载SAR系统的不断增多，可以借助雷达遥感的大面积监测手段，尤其InSAR技术具有毫米级的形变监测能力,为青藏铁路的安全运行提供大范围精细数据支撑。