基于时序InSAR的郑州市地铁沿线地面沉降时空特征分析与预测

作     者：叶勇超 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫超德

授予年度：2021年

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：郑州地铁 PS-InSAR 地面沉降 灰色模型 长短期记忆网络 

摘      要：地铁沿线地面沉降的监测与分析是保障地铁运营安全的重要工作。以永久性散射体干涉测量为代表的时序InSAR技术具有覆盖范围广、监测精度高、获取成本低等优点,克服了传统地面沉降监测方式的不足,为地铁沿线地面沉降监测提供了强有力的工具。本文基于PS-InSAR监测结果,对郑州市地铁沿线地面沉降时空特征进行了分析,并利用灰色模型、LSTM模型对典型地铁站点的地面沉降进行了预测与分析。主要研究内容与成果如下:（1）研究区地表形变数据生成及验证。分别利用35景Envisat ASAR影像和44景Sentinel-1影像,基于PS-InSAR技术获取了研究区2005年2月至2010年10月以及2015年7月至2019年5月的地表形变信息。形变数据表明:郑州市的沉降区域主要分布在北部、东北部以及东部。采用实测水准数据以及实地调查的方式对形变数据进行了验证,结果表明PS-InSAR技术可以满足大范围城市沉降监测的精度要求。（2）地铁沿线地面沉降时空特征分析。通过提取郑州市地铁线路两侧一定范围内的PS点,研究了地铁沿线地面沉降的空间特征,发现地铁沉降路段主要集中在郑州市东部,最大沉降速率超过20 mm/y,最大累积沉降量达80 mm。通过典型路段的纵横剖面分析,发现1号线沿线不均匀形变较为突出。根据横剖面上的沉降槽半径,推算出地铁施工对地表的影响范围大约为50 m～160 m。地铁沿线地表形变的时间特征是:不同区域PS点在时间序列上的变化有较大不同,沉降槽中心处沉降呈逐年扩大趋势,中心处沉降量从2015年5 mm增加到2019年的61 mm。最后,从地下水、建成区年代以及地质构造三个方面对地铁沿线地表形变进行了分析与探讨。（3）典型站点附近地面沉降预测与分析。针对SAR影像断缺导致的地面沉降时间序列数据非等时间隔问题,提出了一种基于反距离内插的等距化处理方法。然后分别基于灰色模型和LSTM模型对典型站点附近地面沉降进行了预测与分析。最后经对比评价,LSTM模型具有较高的预测精度。LSTM模型预测结果显示,未来两年里河南省档案馆新馆北侧仍会以大约0.5 mm/月的速率继续沉降。本文采用PS-InSAR方法分析了郑州市地铁沿线地面沉降的时空特征,并对典型地铁站点的地面沉降进行了预测与分析。研究成果可以为郑州市地铁沿线地面沉降的连续动态监测以及地铁运营维护提供科学依据。