基于PS-InSAR 技術(shù)的南京市河西地區(qū)建筑物穩(wěn)定性評(píng)估

孫靜雯，張琪，吳學(xué)雨，馬狀，逯煥波

（1.南京市測(cè)繪勘察研究院股份有限公司，南京210019；2.南京工業(yè)大學(xué)，南京211816；3.河海大學(xué)，南京211100）

1 引言

城市建筑設(shè)施是人居環(huán)境的重要組成部分，建筑物的結(jié)構(gòu)健康問(wèn)題直接關(guān)系城市環(huán)境和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái)，由地下水抽取、地下空間開發(fā)等引起的地面沉降問(wèn)題日益嚴(yán)重，造成建筑物結(jié)構(gòu)形變和損毀，甚至造成人員傷亡事故，例如,上海的“樓倒倒”、深圳的“接吻樓”等。因此，如何快速準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)城市建筑物形變，合理評(píng)估其危害程度是城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查、市政建設(shè)規(guī)劃的基礎(chǔ)工作。2001 年，F(xiàn)erretti 等[1]提出基于永久散射體（Permanent Scatterer,PS）的干涉測(cè)量技術(shù)（PSInSAR）。PS 對(duì)應(yīng)像元的相位序列在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)穩(wěn)定，基本不受時(shí)間、空間失相干影響，僅對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行時(shí)序分析，可以有效分離大氣延遲相位，提高形變監(jiān)測(cè)精度，在建筑物形變監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2,3]。

南京市河西區(qū)域地處長(zhǎng)江東岸，河漫灘涂地質(zhì)，地質(zhì)環(huán)境背景比較復(fù)雜。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市建設(shè)日新月異，工程活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響，不合理工程活動(dòng)誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。因此，本文利用PS-InSAR 技術(shù)反演南京市河西區(qū)域地面沉降，并提出一套建筑物穩(wěn)定性評(píng)估體系，對(duì)河西區(qū)域地表建筑物形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)建筑物的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估和分析。

2 PS-InSAR 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

PS-InSAR 技術(shù)利用多幅時(shí)序SAR 影像聯(lián)合解算形變信息，即通過(guò)確定一幅公共主影像，選取系列時(shí)序影像中反射信號(hào)強(qiáng)的穩(wěn)定參考點(diǎn)作為PS 點(diǎn)，分離形變和大氣延遲信息，計(jì)算高精度的形變相位信息。

本文利用覆蓋河西地區(qū)的2012 年6 月12 號(hào)至2016 年7月14 號(hào)時(shí)間段共46 景COSMO-SkyMed 影像，基于PSInSAR 方法，進(jìn)行形變信息反演。處理流程主要包括：（1）影像配準(zhǔn)處理。選取2014 年6 月23 日影像作為主影像，與其他SAR 影像進(jìn)行干涉處理，得到45 個(gè)干涉對(duì)（見圖1），并進(jìn)行配準(zhǔn)，配準(zhǔn)精度需達(dá)到1/8pixel。（2）差分干涉處理。對(duì)已配準(zhǔn)主輔影像進(jìn)行前置濾波，共軛相乘生成干涉圖，并根據(jù)外部DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)一步去除地形相位生成差分干涉相位，逐像元計(jì)算生成差分干涉圖。（3）PS 點(diǎn)集選取。利用幅度離散指數(shù)先快速設(shè)立PS 候選點(diǎn)集，結(jié)合相位相關(guān)系數(shù)和信噪比等因子加入迭代運(yùn)算，提取PS 點(diǎn)差分干涉相位。（4）形變反演。利用PS 點(diǎn)位解纏相位，與形變相位、DEM 誤差相位、各種噪聲相位等構(gòu)建相關(guān)模型，迭代求解參數(shù)，提取PS 點(diǎn)雷達(dá)視線方向的平均沉降速率和累計(jì)沉降量，并轉(zhuǎn)換為垂直方向。

圖1 PS 干涉對(duì)時(shí)空基線分布圖

為了能夠直觀、清楚地反映河西區(qū)域建筑物地面沉降的空間分布趨勢(shì)，將PS 點(diǎn)與河西建筑物矢量圖進(jìn)行疊加，篩選出63 359 個(gè)建筑物PS 點(diǎn)，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 河西建筑物沉降分布圖

本次InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，河西建筑物沉降主要分布在鼓樓區(qū)的江東街道、鳳凰街道，建鄴區(qū)的莫愁湖街道、南苑街道，雨花臺(tái)區(qū)的西善橋街道。監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)最大沉降速率為52.3mm/a，沉降量達(dá)212.6mm，位于鼓樓區(qū)的江東街道。

3 城市建筑物穩(wěn)定性評(píng)估

為進(jìn)一步監(jiān)測(cè)河西建筑物穩(wěn)定性狀況，提出一套建筑物穩(wěn)定性評(píng)估體系，即在獲取InSAR 建筑物形變信息的基礎(chǔ)上，依據(jù)建筑行業(yè)相關(guān)規(guī)范（GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ 125—2016《危險(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)》）和建筑形變監(jiān)測(cè)相關(guān)規(guī)范（GJ 8—2016《建筑形變測(cè)量規(guī)范》），結(jié)合建筑物最大沉降速率及差異沉降值（獨(dú)立建筑物最大最小沉降值差值）兩類參數(shù)，并將其風(fēng)險(xiǎn)分類等級(jí)量化為1、2、3、4，利用層次分析法（AHP）[4]確定參數(shù)權(quán)值，如表1 所示，通過(guò)加權(quán)計(jì)算建筑物穩(wěn)定性評(píng)分值，并引入分類規(guī)則，以評(píng)估建筑物穩(wěn)定性（C）[4]。

表1 建筑物穩(wěn)定性評(píng)估因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

穩(wěn)定性評(píng)估模型如下：

式中，C 為建筑物穩(wěn)定性評(píng)分，K1、K2分別為層次分析法計(jì)算得到權(quán)值，V 為最大沉降速率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值，D 為差異沉降風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值。

圖3 河西建筑物穩(wěn)定性等級(jí)分類圖

根據(jù)穩(wěn)定性評(píng)估模型計(jì)算建筑物穩(wěn)定性評(píng)估值，并按風(fēng)險(xiǎn)分類規(guī)則進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果如圖3 所示。河西區(qū)域共統(tǒng)計(jì)出91 096 棟建筑物，未檢測(cè)到PS 點(diǎn)的建筑物有79 325 棟，占比87.1%；A 級(jí)建筑物為9 806 棟，占比10.7%；B 級(jí)建筑物為1 912 棟，占比2.1%；C 級(jí)建筑物存在53 棟，占比0.1%；D級(jí)建筑物為0 棟。其中：

1）0 級(jí)——藍(lán)色，評(píng)估值為0，表示該建筑物無(wú)PS 點(diǎn)；

2）A 級(jí)——綠色，評(píng)估值為0～1.5，表示該建筑物安全；

3）B 級(jí)——青色，評(píng)估值為1.5～2.5，表示該建筑物穩(wěn)定性一般，值得被關(guān)注；

4）C 級(jí)——橙色，評(píng)估值為2.5～3.5，表示該建筑物較不穩(wěn)定，需要重點(diǎn)關(guān)注；

5）D 級(jí)——紅色，評(píng)估值在4 以上，表示該建筑物極不穩(wěn)定，需立即進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

由穩(wěn)定性評(píng)估體系分析可知，建筑物大部分穩(wěn)定性評(píng)估分值小于3 分，表示河西建筑物基本安全，另外存在53 處較不穩(wěn)定建筑主要分布在鳳凰街道，需要重點(diǎn)關(guān)注。

4 結(jié)論

本文利用PS-InSAR 技術(shù)，獲得了2012—2016 年南京河西區(qū)域建筑物沉降狀況，并結(jié)合建筑物穩(wěn)定性評(píng)估模型，對(duì)建筑物進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估。研究結(jié)果表明，河西新城地區(qū)重點(diǎn)沉降主要發(fā)生在鼓樓區(qū)的江東街道及鳳凰街道建筑群，建鄴區(qū)的莫愁湖街道及南苑街道建筑群，雨花臺(tái)區(qū)的西善橋街道建筑群，監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)最大沉降速率為52.3mm/a，沉降量達(dá)212.6mm，位于鼓樓區(qū)的江東街道。另外，建筑穩(wěn)定性分析表明，河西地區(qū)大部分建筑處于穩(wěn)定狀態(tài)，符合安全標(biāo)準(zhǔn)；存在53 處建筑評(píng)估分值處于不穩(wěn)定狀態(tài)，主要分布于鳳凰大街，需要相關(guān)部門引起重視。