應(yīng)用高分辨率PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測上海動遷房歪斜形變

秦曉瓊，廖明生，楊夢詩，王寒梅，楊天亮

(1. 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北 武漢 430079； 2. 國土資源部地面沉降與防治重點(diǎn)實(shí)驗室，上海 200072； 3. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072)

?

應(yīng)用高分辨率PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測上海動遷房歪斜形變

秦曉瓊1，廖明生1，楊夢詩1，王寒梅2,3，楊天亮2,3

(1. 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北 武漢 430079； 2. 國土資源部地面沉降與防治重點(diǎn)實(shí)驗室，上海 200072； 3. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072)

摘要：地面沉降是一種地面標(biāo)高緩慢降低的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重的不均勻沉降會造成地表建筑物的破壞甚至垮塌。針對上海川沙鎮(zhèn)心圓西苑小區(qū)“動遷房歪斜”事件，本文處理分析了2013—2014年上海主城區(qū)和浦東區(qū)的26景TerraSAR-X影像，并對沉降格局及其驅(qū)動因素進(jìn)行了詳細(xì)的時空分析。在空間上，發(fā)現(xiàn)心圓西苑小區(qū)整體存在不均勻沉降，且發(fā)生歪斜的動遷房處沉降最為集中；在時間上，發(fā)現(xiàn)動遷房處PS點(diǎn)的沉降時間序列曲線與溫度變化趨勢存在一定的相關(guān)性；并對比主城區(qū)和浦東區(qū)的沉降結(jié)果進(jìn)行了交叉驗證，證實(shí)了結(jié)果的可靠性。表明動遷房的歪斜形變與其自身的結(jié)構(gòu)形變、長期的地面荷載不均衡和地下基礎(chǔ)工程施工建設(shè)造成的差異沉降密切相關(guān)，進(jìn)一步說明了高分辨率InSAR技術(shù)在城市建筑物的形變監(jiān)測、管理維護(hù)和預(yù)警方面均有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：PS-InSAR；建筑物形變；高分辨率SAR影像；時間序列分析

在自然和人類活動的共同影響下，近年來城市地面沉降問題日益突出[1-2]，嚴(yán)重的不均勻沉降會造成地表建筑物的破壞甚至垮塌。受地面沉降災(zāi)害的影響，上海已發(fā)生了多起房屋倒塌、歪斜事件，造成了嚴(yán)重的傷亡和損失。如2009年閔行蓮花河畔景苑一棟樓房整體臥倒，2012年浦江鎮(zhèn)一棟4層樓房部分坍塌，2014年川沙鎮(zhèn)心圓西苑小區(qū)兩棟15層動遷房明顯歪斜，這都對居民的人身和財產(chǎn)安全造成了極大的安全隱患。

隨著城市的發(fā)展，利用遙感影像進(jìn)行城市建筑物的提取和監(jiān)測成為遙感領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[3-4]。PS-InSAR技術(shù)是一種允許遠(yuǎn)程監(jiān)測地表形變的技術(shù)，具有大范圍、高精度、動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)勢，已經(jīng)在地表沉降監(jiān)測方面取得了許多重要的研究成果[5-6]。同時，高分辨率X波段SAR數(shù)據(jù)使得PS-InSAR技術(shù)不僅可以應(yīng)用于局部地表沉降的精細(xì)測量[7-9]，還可以監(jiān)測到更多的形變細(xì)節(jié)，這對于確保城市建筑物的安全十分重要。針對2014年上海川沙鎮(zhèn)心圓西苑小區(qū)“動遷房歪斜”事件，本文對該區(qū)域進(jìn)行時間序列PS-InSAR地面沉降精細(xì)測量，并從空間和時間角度分析歪斜形變情況及其驅(qū)動因素，表明動遷房的歪斜與其自身的結(jié)構(gòu)形變、長期的地面荷載不均衡及地下淺層基礎(chǔ)工程施工建設(shè)造成的差異沉降密切相關(guān)。

一、PS-InSAR形變監(jiān)測算法

PS-InSAR技術(shù)統(tǒng)計分析同一地區(qū)SAR影像集的相位和幅度信息，查找不受時間、空間和大氣去相干影響的PS點(diǎn)，在PS點(diǎn)上建立相位模型，利用多景干涉圖的相位構(gòu)成方程組并迭代求解，獲取毫米級的地表沉降場。高分辨率X波段SAR數(shù)據(jù)使得PS-InSAR技術(shù)可以持續(xù)監(jiān)測到大型單體建筑物的形變細(xì)節(jié)，為川沙鎮(zhèn)動遷房的形變監(jiān)測提供了很好的技術(shù)支持。

本次試驗的主要處理流程包括：時序差分干涉圖生成、PS點(diǎn)的初選、心圓西苑PS點(diǎn)精選和形變量的解算[6]。

1. 時序差分干涉圖生成

這里引入總體相干性系數(shù)選擇主影像，由時間、空間、多普勒熱噪聲相干性組成，如式(1)所示，得到最優(yōu)的干涉組合，通過干涉處理得到干涉圖集，再利用外部SRTM初步去除地形相位，得到時序差分干涉圖集。

ρtotal=ρtemporal·ρspatial·ρdoppler·ρthermal≈

(1)

2. PS點(diǎn)的初選

在散射特性方面，上海地區(qū)的建筑物、大型人工地物可以構(gòu)成二面角、三面角等穩(wěn)定的強(qiáng)散射，并表現(xiàn)為高相干點(diǎn)目標(biāo)，便于時間序列InSAR技術(shù)的應(yīng)用。本文利用Ferretti等提出的SAR幅度離散指數(shù)的方法進(jìn)行PS點(diǎn)的初選，用幅度的穩(wěn)定性近似表達(dá)相位的穩(wěn)定性。

3. 心圓西苑PS點(diǎn)精選

得到PS候選集后，對川沙鎮(zhèn)心圓西苑小區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步精細(xì)化處理。采用振幅離差和時間相干性雙重閾值提取PS點(diǎn)，在振幅離差探測基礎(chǔ)上，估計目標(biāo)點(diǎn)時間序列上的信息，用時間相干系數(shù)提取滿足要求的PS點(diǎn)，提高估算精度。時間相干系數(shù)γ是干涉圖數(shù)目和像元時間序列相位的函數(shù)，定義為

(2)

完成振幅離差、時間相干系數(shù)雙重閾值提取后，要針對川沙鎮(zhèn)心圓西苑小區(qū)進(jìn)行PS點(diǎn)的精選。首先，根據(jù)對實(shí)際情況和修正后所得高程值的具體分析，設(shè)定合理的高程閾值，剔除不關(guān)心的點(diǎn)目標(biāo)，篩選出感興趣的點(diǎn)目標(biāo)；然后，設(shè)定合理的相干性閾值，進(jìn)一步精選出建筑物上穩(wěn)定的點(diǎn)目標(biāo)，確保結(jié)果的可靠性。

4. 形變量的解算

從差分干涉相位中應(yīng)用最小二乘方法估計，去除每個PS點(diǎn)的線性形變增量和DEM誤差，并進(jìn)行三維時空解纏，利用時空濾波方法去除大氣相位，得到PS點(diǎn)的形變速率和高程，將其垂直于地面進(jìn)行投影，得到地面沉降速率。

二、試驗區(qū)概況及試驗數(shù)據(jù)

20世紀(jì)以來，上海地面沉降問題很突出，已成為上海主要的地質(zhì)災(zāi)害之一[10]。浦東新區(qū)是上海新發(fā)展的區(qū)域，又是典型的軟土地基地區(qū)，地面差異沉降會造成地基下沉，破壞建筑物原有的應(yīng)力平衡，危害城市公共安全。2014年上海川沙鎮(zhèn)心圓西苑兩棟15層動遷房發(fā)生明顯歪斜，樓頂靠攏成“∧”形，樓底部墻根與地基之間出現(xiàn)裂縫，燃?xì)夤艿缽澱?，給居民的生活造成了極大的安全隱患。

本次試驗處理了2013—2014年間上海主城區(qū)和浦東區(qū)一共26景TerraSAR-X影像，其中上海主城區(qū)(左邊深灰色標(biāo)記區(qū))和浦東區(qū)(右邊淺灰色標(biāo)記區(qū))對應(yīng)的覆蓋范圍如圖1所示，黑色方框為川沙鎮(zhèn)地區(qū)，它處于主城區(qū)和浦東區(qū)的重疊部分，黑色五角星代表心圓西苑小區(qū)。雖然該地區(qū)缺乏水準(zhǔn)數(shù)據(jù)驗證，但上海整體的沉降結(jié)果已得到水準(zhǔn)數(shù)據(jù)的精確驗證，且對比主城區(qū)和浦東區(qū)的沉降結(jié)果，可以形成交叉驗證，證實(shí)了結(jié)果的可靠性。

圖1　TerraSAR-X影像的覆蓋范圍

三、川沙鎮(zhèn)動遷房歪斜沉降時空分析

1. 沉降空間格局分析

圖2和圖3分別為主城區(qū)和浦東區(qū)內(nèi)川沙鎮(zhèn)的沉降速率分布圖，可以看出相干點(diǎn)目標(biāo)主要分布在人工地物上，與實(shí)際情況相符。圖中白色圓圈的面積大小代表沉降速率的大小，圓圈面積越大表示沉降速率越大。左下角黑色虛線框內(nèi)為心圓西苑小區(qū)，大部分點(diǎn)都存在-4～4 mm/a的小幅波動，兩幅圖中黑色實(shí)線框內(nèi)為發(fā)生明顯歪斜的兩棟動遷房的位置，內(nèi)部白色圓圈面積較大，表明沉降速率明顯略大于周圍區(qū)域，約為-12～-8 mm/a。

進(jìn)一步把心圓西苑小區(qū)內(nèi)的PS點(diǎn)疊加到Google Earth上，如圖4和圖5所示，其沉降速率由從白到黑的不同顏色圓圈表示，顏色越深代表沉降速率越大。由于心圓西苑小區(qū)自2010年破土動工以來，長期受到地面上下基礎(chǔ)工程施工帶來的動荷載和不斷增加的地面靜荷載影響，地基穩(wěn)定性逐漸遭到破壞，造成了整個小區(qū)的不均勻沉降，沉降速率主要分布在-12～8 mm/a之間，密集的高層建筑對地面產(chǎn)生相互疊加的荷載效應(yīng)，地面淺層一些大型設(shè)施的基礎(chǔ)工程施工相對頻繁，加快了地面下沉，這對于軟土地基尤為明顯[10]。

圖2　主城區(qū)川沙鎮(zhèn)沉降速率分布圖

圖3　浦東區(qū)川沙鎮(zhèn)沉降速率分布圖

圖4和圖5中黑框內(nèi)為川沙鎮(zhèn)心圓西苑小區(qū)發(fā)生明顯歪斜的動遷房，可以看出，在兩邊覆蓋區(qū)域中它們都是整個小區(qū)內(nèi)點(diǎn)的顏色最深的區(qū)域，即沉降最為集中的區(qū)域，沉降速率較大，周邊基本沒有抬升的點(diǎn)，約-8 mm/a左右。還可以看到發(fā)生歪斜的17、18兩棟居民樓在建設(shè)時，為了繞開北面錦川路的彎道，采用了折形布局，形狀類似于打開的書本，南北間距不一樣，北面間距達(dá)到2 m，南面間距僅12 cm，且樓頂都設(shè)計了裝飾，外表有一定凸起，兩個房檐基本是靠在一起的。

圖4　主城區(qū)心圓西苑沉降速率分布圖

圖5　浦東區(qū)心圓西苑沉降速率分布圖

2. 沉降時間序列分析

利用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)獲取當(dāng)天的平均溫度與動遷房處PS點(diǎn)的沉降時間序列進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖6和圖7所示。其中黑色實(shí)線代表平均溫度，灰色虛線代表不同PS點(diǎn)形變時間序列，黑色虛線代表PS變化的趨勢線。對比主城區(qū)和浦東區(qū)的沉降結(jié)果，發(fā)現(xiàn)它們保持了很好的一致性，沉降速率都在-8 mm/a左右，可以形成交叉驗證，且與空間觀測的結(jié)果一致，證實(shí)了結(jié)果的可靠性。

圖6　主城區(qū)PS沉降時間序列曲線

圖7　浦東區(qū)PS沉降時間序列曲線

圖6和圖7中PS點(diǎn)的時間序列變化曲線雖然存在一些輕微的上下震蕩，但整體都表現(xiàn)出近似線性的下沉變化，且兩邊的沉降變化趨勢非常吻合，前期下沉速度較快，中期略微平緩甚至微量抬升，后期又有加速下沉的趨勢。這是由于建筑物多采用鋼筋混凝土架構(gòu)，溫度對混凝土的強(qiáng)度和變形性能有較大影響。前期2013年9月至2014年5月溫度下降過程中，建筑材料隨溫度發(fā)生收縮，下沉速率較快；7、8月溫度升高時，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度隨溫度升高顯著下降，容易發(fā)生膨脹，下沉速率減緩，甚至出現(xiàn)微量抬升；最后隨溫度的下降繼續(xù)加速下沉[11]。沉降量和溫度的變化規(guī)律表明，建筑材料隨溫度的熱脹冷縮效應(yīng)與PS點(diǎn)的沉降時間序列曲線在時間上表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，說明溫度的變化會對建筑物的形變產(chǎn)生一定的影響。

3. 動遷房歪斜形變原因分析

綜合上述對沉降空間格局和時間序列的分析，受地面不均勻沉降影響，建筑物的歪斜變形和附加應(yīng)力分布十分復(fù)雜，與建筑物的空間結(jié)構(gòu)、建筑材料、地基性質(zhì)、地下施工情況、所處位置等多種因素相關(guān)。

從內(nèi)部看，這兩棟樓具有特殊的折形空間布局，南北兩邊間距不一樣，竣工時南邊的兩個檐口就碰在一起，它本身的形態(tài)構(gòu)造、設(shè)計規(guī)范、材料和施工差異造成建筑物本身荷載的分布不均衡，使自身產(chǎn)生不均勻形變，且向上積累[11]。另外，工后的自然沉降及建筑物受溫度變化產(chǎn)生的熱脹冷縮效應(yīng)，會導(dǎo)致樓頂本來就碰在一起的房檐之間產(chǎn)生擠壓變形，形成裂縫并發(fā)生歪斜。

從外部看，由于兩棟樓具有特殊的折形布局，竣工后兩樓中間的地面受到相對集中的建筑物靜荷載作用，因此，底部地基荷載長期不均衡。另外，兩棟樓中間的地下淺層中大型設(shè)施的基礎(chǔ)工程施工較為頻繁，受到基坑開挖及工程降水的影響，不可避免地擾動土體并逐漸破壞原有的應(yīng)力平衡，且動荷載造成的沉降會比靜荷增加更明顯[12]，因此，地面會產(chǎn)生差異沉降，兩棟樓的中間區(qū)域成為地面動靜荷載最集中的位置，且地基性質(zhì)為軟土地基，沉降最為集中且沉降速率較大，導(dǎo)致建筑容易向中間傾倒，因此，樓頂本來就相互接觸的檐口很容易發(fā)生擠壓碰撞，出現(xiàn)裂縫和歪斜現(xiàn)象。

圖8為川沙鎮(zhèn)動遷房歪斜形變的現(xiàn)場情況，分析表明這些現(xiàn)象與建筑物自身的結(jié)構(gòu)形變、長期的地面沉降差異和地面淺部相對頻繁的工程施工均密切相關(guān)。雖然觀測到的一年的沉降量并不是很大，但是長期的地面不均勻沉降引起的地表累積差異沉降量會對地表建筑物造成很大的安全隱患值得引起注意。

圖8　兩棟樓房歪倒傾斜現(xiàn)場情況

四、結(jié)束語

高分辨率PS-InSAR技術(shù)是進(jìn)行建筑物形變監(jiān)測的有效方法之一。2014年浦東川沙鎮(zhèn)心圓西苑小區(qū)發(fā)生了動遷房歪斜形變，導(dǎo)致墻根與地基開裂，燃?xì)夤軓澱?，給居民的生活造成了極大的安全隱患。本文對上海主城區(qū)和浦東區(qū)的TerraSAR-X影像進(jìn)行了地面沉降精細(xì)測量，并著重對動遷房的歪斜形變及其驅(qū)動因素進(jìn)行了詳細(xì)的時空分析。在空間上，發(fā)現(xiàn)心圓西苑小區(qū)整體存在-12～8 mm/a不均勻沉降和抬升，其中北邊發(fā)生歪斜的動遷房沉降最為集中，且沉降速率較大，約-10～-8 mm/a；在時間上，對動遷房處PS點(diǎn)的沉降時間序列曲線與溫度變化趨勢進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)溫度變化對建筑物形變有一定影響，并對比兩邊的試驗結(jié)果形成交叉驗證，證實(shí)了結(jié)果的可靠性。表明動遷房歪斜事件與其自身的結(jié)構(gòu)形變、長期的地面荷載不均衡和地下淺層基礎(chǔ)工程施工建設(shè)造成的差異沉降密切相關(guān)。

高分辨率PS-InSAR可以應(yīng)用于城市建筑物的沉降監(jiān)測，并達(dá)到毫米級的監(jiān)測精度，開展定期的城市沉降監(jiān)測對于城市建筑物形變監(jiān)測、管理維護(hù)和預(yù)警具有重要意義。

致謝：本文采用的時間序列TerraSAR-X數(shù)據(jù)由德國宇航院提供(項目編號：COA1755，GEO0606)，并由上海地質(zhì)調(diào)查研究院協(xié)助進(jìn)行了精度驗證，一并表示感謝。

參考文獻(xiàn)：

[1]裴媛媛,廖明生,王寒梅.利用時序DInSAR監(jiān)測填海造陸地區(qū)地表沉降[J].武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2012, 37(9):1092-1095.

[2]鄭佳榮,宮力輝,李青元,等.基于PS-InSAR的2003-2009年北京平原區(qū)沉降控制因素分析[J].測繪通報,2014(12):40-43.

[3]張學(xué)東,葛大慶,肖斌,等.多軌道集成PS-InSAR監(jiān)測高速公路沿線地面沉降研究——以京滬高速公路(北京—河北) 為例[J].測繪通報,2014(10): 67-69.

[4]吳文豪.利用雷達(dá)干涉時序分析方法研究地面沉降[J].測繪通報,2014(11):11-15.

[5]裴媛媛,廖明生,王寒梅.時間序列SAR影像監(jiān)測堤壩形變研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2013, 38(3): 266-269.

[6]廖明生,王騰. 時間序列InSAR技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[7]ANDREWH,DAVIDB,KARSTENS,etal.RecentAdvancesinSARInterferometryTimeSeriesAnalysisforMeasuringCrustalDeformation[J].Tectonophysics, 2012, 51(4):1-13.

[8]楊夢詩,蔣亞楠,廖明生,等.基于高分辨率SAR影像的上海臨港新城沉降格局分析[J].上海國土資源,2013,34(4):12-16.

[9]SHIXG,LIAOMS,WANGT,etal.ExpresswayDeformationMappingUsingHigh-resolutionTerraSAR-XImages[J].RemoteSensingLetters, 2014, 5(2):194-203.

[10]龔士良.上海城市建設(shè)對地面沉降的影響[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報,1998,9(2):108-111.

[11]CROSETTOM,MONSERRATO,LGLESIASR,etal.PersistentScattererInterferometry:Potential,LimitsandInitialC-andX-bandComparison[J].PhotogrammetricEngineering&RemoteSensing, 2010,76(9):1061-1069.

[12]馮云德.建筑物沉降觀測技術(shù)方法探討[J].北京測繪,2009(4)：88-90.

Monitoring Shanghai Relocation Housing Skew Deformation Using High Resolution PS-InSAR Technology

QIN Xiaoqiong,LIAO Mingsheng,YANG Mengshi,WANG Hanmei,YANG Tianliang

收稿日期：2015-06-04

基金項目：國家自然科學(xué)基金(61331016)

作者簡介：秦曉瓊(1991—)，女，博士生，主要從事時間序列InSAR技術(shù)地表沉降的監(jiān)測和分析研究。E-mail：qinxaioqiong@whu.edu.cn

中圖分類號：P237

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0018-04

引文格式: 秦曉瓊，廖明生，楊夢詩，等． 應(yīng)用高分辨率PS-InSAR 技術(shù)監(jiān)測上海動遷房歪斜形變[J]． 測繪通報，2016( 6) : 18-21． DOI: 10． 13474 /j． cnki． 11-2246． 2016． 0181．