[01328274]高速铁路精密测量及形变监测理论与应用

一、项目来源与背景

根据国家的中长期铁路网规划，我国高速铁路将构建为“四纵”、“四横”和三个城际客运系统的铁路网局面。

从2005年开始修建我国第一条高速铁路（京津城际铁路）起，我国就逐步大规模开展高速铁路的建设 （如京沪高铁、沪宁高铁等），且部分高速铁路已陆续开始投入运营（如武广高铁、郑西高铁），继德国、日本和法国之后，我国的高速铁路时代已经到来。

并且在近年来，我国铁道部已与美国、巴西、俄罗斯等多个国家签署了共同修建高速铁路的协议或备忘录，我国高速铁路已开始走向世界，取得了举世瞩目的成就。

我国高速铁路具有规模大、距离长、速度高、国际化等特征，高速铁路将在我国大陆形成规模庞大的交通网络，成为国家陆路快速交通的命脉。

为保障高速列车运行的安全性和平稳性，高速铁路的轨道几何平顺性和路基（桥梁）的稳定性必须达到极高的技术标准，这对铁路精密测量理论与形变监测方法提出了严峻的技术挑战。

一方面，为保证轨道的高平顺性，铁路工程测量必须从传统的相对测量模式转变为绝对测量模式，测量体系和测量标准应进行根本性的改变，测量精度应从厘米级提高到毫米级，甚至是亚毫米级;

另外一方面，高速铁路对沿线地理环境和地质条件提出了很高的要求，特别是路基和桥梁的稳定性尤为重要。高速铁路（如京沪高铁、沪宁高铁等）线路跨度大，沿线经过具有各自特性的地理环境和地质条件（如土层成分、土层结构、地质构造等），受自然或人为因素（如地下水过量开采）及列车动荷载的影响，铁路沿线和周边可能会产生区域性地表位移（一般主要表现为区域地面沉降）。

10多年来，项目组人员瞄准高速铁路建设和运营中亟待解决的重大技术难题—高速铁路精密测量理论与形变监测方法，系统而深入地对高速铁路建设中的测量技术标准（规范）体系、大范围形变监测方法、测量数据处理模型等理论与方法积极开展技术攻关，通过潜心研究与工程应用，最终形成一套集高速铁路精密测量与形变监测理论与技术应用为一体的自主创新系统，该系统在我国高速铁路建设和运营中得以广泛使用，多项研究成果已被我国高速铁路精密测量的技术标准与规范采纳，这为我国高速铁路建设和安全运营提供了极其重要的技术支撑。

10多年来，课题组围绕“高速铁路精密测量及形变监测理论与应用”开展了系统而深入的研究，先后得到3项国家自然科学基金、1项教育部人才基金、3项铁道部科技发展计划、3项校企合作项目的共同资助，具体如下。

（1）国家自然科学基金—基于永久反射器的时序差分雷达干涉应用于区域地表形变探测的研究 （40374003）。

（2）国家自然科学基金—联合高分辨率雷达干涉和精密水准监测高速铁路沉降的研究 （40774004）。

（3）国家自然科学基金（国际合作与交流）—高速铁路精密测量理论及测绘新技术应用国际学术研讨 （41010304035）

（4）教育部新世纪优秀人才支持计划课题—PS网络雷达干涉遥感技术及其在地表形变灾害监测中的应用研究 （NCET-08-0822）

（5）铁道部科技发展计划课题—无砟轨道CPⅢ自由设站网测量系统的研究 （[2007] 1374）

（6）铁道部科技发展计划课题—无砟轨道CPⅢ自由设站边角交会网有关技术标准和软件开发与研究 （2009-6）

（7）铁道部科技发展计划课题—基于自由测站的高速铁路CPⅢ高程网建网测量及其标准的研究 （2009-024）

（8）“广珠城际轨道交通工程轨道控制网CPⅢ建网测量分析评估项目技术服务协议”项目 （[2009]25）

（9）“沪宁城际铁路精密测量控制网技术服务”项目 （2009-4）

（10）“沪宁城际铁路线下工程沉降观测管理与评估”项目 （2009-10）

二、应用领域与技术原理 2005年在我国高速铁路建设初期，由于缺乏高速铁路精密测量的理论体系和实际经验，高速铁路精密测量技术极大地依赖德国和日本。

为了在高速铁路精密测量领域实现技术的自主创新和国产化，课题组一直在进行高速铁路精密测量及形变监测的研究工作，在吸收国外先进技术和经验的基础上，逐步实现自主技术创新，通过多年的潜心研究与技术攻关，取得了一系列高速铁路精密测量与形变监测理论与技术体系的研究成果。这些成果在我国高速铁路建设和运营中得以广泛使用，多项研究成果已成为我国高速铁路精密测量的技术标准规范，为我国高速铁路建设和安全运营提供了极其重要的技术支撑。

高速铁路的显著特点是列车运行速度快，为保证列车的安全运营，要求铁路轨道具有极高的几何平顺性，承载轨道的路基、桥梁和隧道具有较高的稳定性。在施工阶段，高速铁路轨道的平顺性主要取决于高速铁路的精密测量控制网和轨道板及轨道的施工测量技术，在运营阶段，必须周期性地开展轨道几何状态的形变检测与稳定性监测。

因此高速铁路的精密测量、形变监测理论与技术体系，是保障高速铁路建设和运营安全的关键技术环节，决定着列车运行的安全性和高速铁路建设的成败。

为此，课题组通过10多年的潜心研究和技术攻关，重点针对高速铁路精密测量理论与方法、雷达干涉PSI理论与形变监测应用、高速铁路沉降数据管理与分析三个方面开展了系统而深入的技术研究，具体如下

1.高速铁路精密测量理论与方法 精密测量理论需要以高精度的CPⅢ控制网以及轨道基准网为基础。为此，在CPⅢ控制网研究方面，课题组通过理论分析和大量的实测数据统计，论证了不控制2C互差的CPⅢ控制网外业测量新模式的可行性;通过对CPⅢ控制网特点的分析和大量的实验验证，提出了CPⅢ控制网内业计算的数学模型和方法、区段间衔接采用余弦函数平滑的可行性和CPⅢ三角高程网的构网技术及其数据处理方法，并确定了CPⅢ测量标志的结构。最后在这些研究的基础上，研制CPⅢ控制网测量与数据处理软件和CPⅢ三角高程网数据处理软件。

在轨道基准网研究方面，课题组通过理论分析，确定了轨道基准网置平算法的数学模型，推导了轨道基准网平面及高程相邻点相对精度评定的数学模型，提出了轨道基准网高程网的构网平差新方法、不同测站轨道基准点间的平面和不同测段轨道基准点间的高程搭接的平滑处理方法，并在此基础上研制了轨道基准网数据采集与处理系统。

PSI理论与方法及其应用于区域沉降监测

本项目以在京沪高速铁路天津段（西青区）选择约12公里长的典型路段作为试验场，在此路段的路基、护坡及其周边布设一定数量的人工CR和CR/水准重合点，开展PS/CR网络雷达干涉与地面精密水准联合监测高速铁路沉降的研究。虽然相比于中等分辨率卫星SAR系统来说，米级分辨率卫星SAR系统对人工角反射器的尺寸大小要求无疑会大大降低。然而，究竟小到什么程度和使用什么样的形状（如二面、三面角反射器等）才能既满足铁路环境美观，又能满足雷达信号反射稳定性的要求呢？安装人工角反射器时的定向参数如何计算呢（对准卫星雷达波束的精确与否直接影响雷达信号的反射强度）？如何进行PS/CR网络干涉建模与形变估算？水准点与人工CR的分布对沉降监测精度有何影响？这些都是本项目必须考虑的问题。

从理论角度来说，本项目将对PS/CR网络雷达干涉的构网及其相关模型、解算与校准方法等进行深入研究；从技术角度来说，本项目将对人工CR的设计与安装定向、CR与水准点的合理布设等进行深入研究。

根据“PS/CR网络雷达干涉”的研究目标和上述分析，本项目具体的研究内容如下：

（1）高时空分辨率雷达干涉应用于高速铁路沉降监测的精度和可靠性分析

高时空分辨率雷达干涉应用于高速铁路沉降监测的精度和可靠性是保证沉降监测成功与否的关键所在。在对“PS/CR网络雷达干涉”进行建模及参数解算时，模型的精确性、参数估计方法的适用性以及估计参数的精度评定效果均影响最后的沉降监测结果。在我们的方案中，将针对高时空分辨率SAR影像的特性进行雷达干涉相位建模、PS/CR探测及构网、PS/CR网络差分相位建模及参数解算、线性形变速率和高程误差的最小二乘平差求解以及精度评定。最后，使用精密水准数据对沉降结果进行精度验证和可靠性评估。

（2）人工角反射器的大小和形式对SAR信噪比影响的研究、人工角反射器安装定向参数实时解算方法与计算软件研究

人工角反射器利用多面角效应对雷达波进行多次反射，最后返回雷达传感器。在雷达波与角反射器交互的过程中，反射器的大小和形状无疑对影响雷达波的反射强度、反射方向等几何参数。

如何确定大小和形状均合适的角反射器使得其信噪比达到最佳？人工角反射器安装定向参数的解算要根据雷达传感器的姿态确定，对于同一传感器平台，如何完成角反射器安装定向参数的实时解算？这也是本项目中要研究的重要内容。

（3）基于PS/CR构网分析与水准数据提取线性沉降速率的算法与软件研究。 本项目方案的核心内容是基于PS/CR构网分析与水准数据提取线性沉降速率。首先要对其理论、建模及参数估计进行系统分析和研究，在此基础上，进行线性沉降速率求解的算法设计和软件研发。该软件的功能主要包括：PS/CR探测、PS/CR构网、网络差分相位建模、模型参数估计及精度评定和最小二乘平差求解。

（4）基于奇异值分解与经验模式分解方法提取非线性沉降时间序列的算法与软件研究 在提取研究区域的线性沉降分量后，残余干涉相位主要为非线性沉降、大气延迟和其它噪声相位贡献的总和。此时，如何精确提取非线性沉降并分离大气延迟信号是保证沉降监测最终结果的重要因素。本项目中拟采取奇异值分解（SVD）和经验模式分解（EMD）方法提取非线性沉降的时间序列。

首先，利用奇异值分解对残余相位的时间序列进行求解，将任意组合形成的干涉相位恢复为SAR影像获取时刻所对应的时序值，然后，在时间序列上利用经验模式分解方法分离非线性沉降和大气延迟信号这一过程的算法实现和软件研发是本项目的重点研究内容之一。

（5）水准点和人工角反射器数量、分布对高速铁路沉降监测精度影响的研究。在水准网平差中，水准点的数量和水准网网型对平差结果的精度会存在一定程度的影响。而在我们的方案中，水准/CR重合点将参与水准网平差，且其结果将用于雷达干涉沉降解算的结果校核，故本项目中有必要对水准点和人工角反射器的数量和分布及其对进行高速铁路沉降监测精度的影响进行研究，以期确定最佳的水准和CR布设方案。

3.沉降数据管理与分析 本项目在借鉴国内外相关高速铁路线下工程沉降数据分析理论的基础上，始终紧密联系实际，以京沪高铁和沪宁城际线，作为主要参考与实践试验对象，针对以下几个关键问题，开展系统深入的实验与理论研究。

（1）高速铁路线下基础工程沉降的数据预测与评估理论

在线下工程沉降变形评估工作中，多个指标从不同角度反映当前测点的沉降观测情况，《评估技术指南》提供了八种沉降预测模型，在实际评估过程中需要对各个指标各种预测模型进行对比分析。

（2）考虑区域沉降的线下基础沉降数据处理与分析

高速铁路线下基础沉降不仅包括构筑物自身产生的工程沉降还包括区域性地面沉降部分，因此需要对沉降数据中的工程沉降和区域沉降进行判别、分析和修正。结合当前现状，提出了基于京沪高速铁路工程实际的时空内插计算模型，并对沉降观测评估进行了改进。

（3）开发一套支持高速铁路海量沉降数据管理和评估的软件系统

面对高速铁路沉降观测海量数据的管理和评估任务，必须研制一套支持千万级数据存储、检索与管理系统。系统在功能上应实现内容动态分类归档与网络化沉降信息存储管理、结构化与非结构化沉降数据一体化管理;在系统构成模块上应是集沉降观测数据质量控制、平差处理、信息管理、评估分析的一体化集成软件系统。

三、技术指标

1.研究过程中提出的不控制2C互差后CPⅢ平面。