基于PS-InSAR 技術(shù)的泉州欣佳怡酒店建筑沉降分析

吳 平，袁存忠

（1.福建省基礎(chǔ)地理信息中心，福建 福州 350003）

2020 年3 月7 日19 時(shí)5 分，福建省泉州市鯉城區(qū)常泰街道南環(huán)路發(fā)生一起酒店坍塌事故[1-2]，事故造成了無(wú)法挽回的重大損失。經(jīng)國(guó)務(wù)院事故調(diào)查組認(rèn)定，該事故是一起主要因違法違規(guī)建設(shè)、改建和加固施工導(dǎo)致建筑物坍塌的重大生產(chǎn)安全責(zé)任事故[3]。事故的發(fā)生是有客觀規(guī)律性的，“海恩法則”指出：每一起嚴(yán)重事故的背后，必然有29 次輕微事故和300 起未遂先兆以及1 000 起事故隱患。在重大事故發(fā)生前一般都會(huì)有大量的征兆出現(xiàn)，如果人們能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些征兆并采取相應(yīng)的措施，就可以避免很多事故的發(fā)生，從而避免大量損失。本文利用酒店坍塌事故發(fā)生前一年左右時(shí)間段內(nèi)的多期“哨兵一號(hào)”SAR 影像數(shù)據(jù)，基于永久散射體技術(shù)對(duì)事故酒店的建筑位移情況進(jìn)行反演分析，從中找出坍塌事故發(fā)生前的征兆規(guī)律。

1 基本原理及處理流程

1.1 PS-InSAR 技術(shù)基本原理

PS-InSAR 全稱為“永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)”，其中PS（永久散射體）指對(duì)雷達(dá)波的后向散射較強(qiáng)，并且在時(shí)序上較穩(wěn)定的各種地物目標(biāo)，如建筑物與構(gòu)筑物的頂角、橋梁、欄桿、裸露的巖石等目標(biāo)；InSAR（合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量）是指利用同一地區(qū)不同期次SAR 數(shù)據(jù)中的相位信息進(jìn)行干涉測(cè)量的技術(shù)[4]。其原理是利用多幅SAR 單視復(fù)數(shù)影像，計(jì)算和統(tǒng)計(jì)影像幅度與相位信息，并采用振幅離散差、相干系數(shù)等方法探測(cè)和提取高相干永久散射體目標(biāo)點(diǎn)（PS 點(diǎn)），通過(guò)對(duì)影像進(jìn)行差分干涉處理得到差分干涉圖以及各PS 點(diǎn)在各差分干涉圖中的差分干涉相位集，再對(duì)PS 點(diǎn)上進(jìn)行相位解纏、積分和插值等處理即可反演出地表形變參數(shù)[5-7]。

PS 點(diǎn)的差分相位φdiff可以表示為：

式中，φtopo是由散射差異導(dǎo)致的相位變化；φdef是地形的形變相位；φatmos和φn分別為大氣干擾相位和噪聲干擾相位，其中φn可以作為微小項(xiàng)忽略。

地表形變相位φdef又由線性形變相位φl(shuí)in和非線性形變相位φnon_lin兩部分組成，如下式所示：

式中，φnon_lin是非線性形變量；λ為干涉波長(zhǎng)；T為獲取SAR 影像的間隔；v為線性形變速率[8]，綜合以上兩式，PS 點(diǎn)的差分相位φdiff最終可以表示為：

1.2 PS-InSAR 處理流程

PS-InSAR 處理流程包括計(jì)算連換圖、生成差分干涉圖對(duì)、PS 點(diǎn)識(shí)別與選取、相位解纏、去除相干誤差、形變速率反演與地理編碼七個(gè)步驟。處理的流程如圖1 所示。

1）計(jì)算連換圖。計(jì)算連換圖是PS-InSAR 處理的前置步驟，是利用影像的元數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算和判斷數(shù)據(jù)集是否滿足開展PS-InSAR 處理的基本條件。通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)集中影像的空間基線連換圖和時(shí)間基線連換圖來(lái)初步過(guò)濾掉干涉質(zhì)量較差的影像。

2）生成差分干涉圖對(duì)。生成差分干涉圖對(duì)是在參與計(jì)算的影像數(shù)據(jù)集中按照一定規(guī)則選取一幅影像作為基準(zhǔn)，其余影像則參照這幅基準(zhǔn)影像進(jìn)行配準(zhǔn)，并在兩兩影像間進(jìn)行復(fù)共軛相乘，從而獲得一組干涉相位圖。

圖1 PS-InSAR 處理流程圖

3）PS 點(diǎn)識(shí)別與選取。為了移除干涉圖中的偏移相位，需要利用振幅離差法、相位分析法、相干系數(shù)法等方法來(lái)識(shí)別和提取出一定數(shù)量的“相干雷達(dá)信號(hào)反射”永久散射體，這些散射體具有穩(wěn)定、相干、散射強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是后續(xù)相位解纏步驟使用的“種子”點(diǎn)。

4）相位解纏。由于InSAR 技術(shù)從SAR 影像對(duì)中獲取的干涉相位差是被周期折疊于(-π,π]這個(gè)區(qū)間內(nèi)的，該相位與實(shí)際相位間有著2kπ,k=0,1,2,3,…的差別，這就導(dǎo)致了實(shí)際相位不同的兩個(gè)點(diǎn)在周期折疊后有著相同的值，從而導(dǎo)致相位混疊。相位解纏即是通過(guò)特定的算法來(lái)恢復(fù)被模糊掉的相位周期，從而得到真實(shí)的相位信息。

5）去除相干誤差。去除相干誤差包括去除地形誤差和大氣誤差，將DEM 誤差與各組相對(duì)的垂直基線長(zhǎng)相乘，即可得到各個(gè)輔影像同主影像之間的地形殘差；在時(shí)間域上對(duì)解纏相位進(jìn)行高通濾波可以估算出軌道誤差；在空間域上對(duì)解纏相位使用低通濾波可以估算出大氣誤差[9]。對(duì)上述誤差進(jìn)行修正，即可獲得“干凈”的相位解纏圖從而提高相位解纏的精度。

6）形變速率反演。形變速率反演是通過(guò)相位解纏圖進(jìn)行計(jì)算，得出地表的形變速率。

7）地理編碼。地理編碼是將反演后的地表形變速率圖投影至指定的坐標(biāo)系下。

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

本次數(shù)據(jù)處理使用的軟件平臺(tái)為ENVI+SARScape。實(shí)驗(yàn)使用的是歐洲航天局的“哨兵一號(hào)”SAR 影像數(shù)據(jù)集，現(xiàn)勢(shì)性從2019-01-10 ～2020-03-05 事故發(fā)生前共計(jì)33 期影像，每期影像的時(shí)間間隔從11 d 到27 d不等。經(jīng)過(guò)連換圖計(jì)算33 期影像件均能滿足開展PS-InSAR 處理的基本條件，圖2 為時(shí)間連換圖及空間連換圖。

圖2 時(shí)間連接圖與空間連接圖

受“哨兵一號(hào)”SAR 影像數(shù)據(jù)分辨率的限制，從PS-InSAR 處理結(jié)果的事故酒店所處位置處僅獲得3 處穩(wěn)定PS 點(diǎn)，PS 點(diǎn)所處位置如圖3 所示，圖中紅色虛線為房屋輪廓，黃色點(diǎn)位即為PS 點(diǎn)。將3 處PS 點(diǎn)從2019-01-10 ～2020-03-05 的沉降數(shù)值繪制沉降變化曲線，如表1 和圖4 所示。從圖表中可以看出如下現(xiàn)象：①隨著時(shí)間推移3 處PS 點(diǎn)的沉降變化曲線總體都呈現(xiàn)出向著負(fù)值方向延伸的趨勢(shì)，即有下沉現(xiàn)象發(fā)生；②下沉的數(shù)值隨著時(shí)間的推移變得越來(lái)越大。綜合以上兩點(diǎn)說(shuō)明事故酒店的整體結(jié)構(gòu)在這一年多的時(shí)間里呈現(xiàn)出不斷下沉的趨勢(shì)，并且下沉的速率隨著時(shí)間的推移變得越來(lái)越快。

由于表1 和圖4 中的沉降數(shù)值反映的是變長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)的PS 點(diǎn)沉降情況，即兩個(gè)相鄰時(shí)間段的時(shí)間間隔是變化的，導(dǎo)致在進(jìn)行數(shù)據(jù)比較時(shí)數(shù)據(jù)之間不具備可比性。為了解決上述問題，本文引入日平均沉降速率的定義把數(shù)據(jù)按照定長(zhǎng)時(shí)間間隔進(jìn)行歸一化處理，使數(shù)據(jù)間具備可比性。具體計(jì)算公式如下：

式中，Vday為日平均沉降速率；表示對(duì)(start,end]這個(gè)時(shí)間段內(nèi)的所有沉降值進(jìn)行求和。通過(guò)公式（4）計(jì)算即可獲得該時(shí)間段內(nèi)的日平均沉降速率。按照近似1 個(gè)月的時(shí)間間隔對(duì)表1 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割并計(jì)算日平均沉降速率，可以獲得2019-01-10 ～2020-03-05的逐月日平均沉降速率，見表2 和圖5。從圖、表中可以看出，PS 點(diǎn)的沉降情況已經(jīng)有了明顯的規(guī)律：①3 處PS 點(diǎn)在大部分時(shí)間里都以沉降現(xiàn)象為主；②3 處PS 點(diǎn)的日平均沉降速率在監(jiān)測(cè)周期初期都較小，隨著時(shí)間的推移日平均沉降速率都在逐漸地增大，但PS點(diǎn)1 到監(jiān)測(cè)后期平均沉降速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)點(diǎn)；③3 處PS 點(diǎn)的平均沉降速率在監(jiān)測(cè)周期初期的變化規(guī)律都是基本一致的，但從2019 年11 月開始，3 處PS點(diǎn)的平均沉降速率的變化規(guī)律開始消失，其中PS 點(diǎn)1與PS 點(diǎn)2 基本還保持著相同的沉降規(guī)律，而PS 點(diǎn)3的沉降規(guī)律已經(jīng)與其他兩個(gè)點(diǎn)完全不同出現(xiàn)混亂，在圖5 中PS 點(diǎn)3 的曲線與其他兩個(gè)點(diǎn)的曲線出現(xiàn)多次交叉的現(xiàn)象。綜合以上分析可以了解事故酒店的3 處PS點(diǎn)在最初時(shí)間段里的沉降情況基本還是一致、輕微且平穩(wěn)的，這種情況的沉降對(duì)于酒店本身的房屋建筑結(jié)構(gòu)影響并不大，但受酒店非法建設(shè)、違規(guī)改造的影響，之后酒店建筑就開始出現(xiàn)越來(lái)越嚴(yán)重的沉降，且不同位置的沉降速率也開始出現(xiàn)差異并且變得越來(lái)越大，這些無(wú)規(guī)律、大差異的局部沉降現(xiàn)象最終破壞了酒店的房屋結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致酒店坍塌事故的發(fā)生。

文獻(xiàn)[10-11]中指出酒店開始非法建設(shè)、違規(guī)改造的時(shí)間是在2019 年9 月至2020 年春節(jié)前這個(gè)時(shí)間段里，即不早于2019 年9 月，不晚于2020 年1 月，這與從圖5 中觀測(cè)到的PS 點(diǎn)3 出現(xiàn)沉降規(guī)律異常的開始時(shí)間基本是吻合的；另外從文獻(xiàn)[11-12]中的國(guó)務(wù)院事故調(diào)查報(bào)告可以得知在早期酒店結(jié)構(gòu)能夠維持平衡，但已經(jīng)達(dá)到坍塌臨界狀態(tài)，后期建筑增加夾層，豎向荷載超限是導(dǎo)致坍塌的根本原因，并且在酒店違建過(guò)程中多根鋼柱出現(xiàn)變形的現(xiàn)象，而鋼柱產(chǎn)生的變形在建筑結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)出的就是“失穩(wěn)”狀態(tài)，即建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻的沉降，這與本文得出的3 處PS 點(diǎn)在后期呈現(xiàn)出的不均勻沉降現(xiàn)象的結(jié)論是相吻合的。因此本文所獲得的數(shù)據(jù)及分析結(jié)論為上述文獻(xiàn)的事故原因分析提供了數(shù)據(jù)支撐和驗(yàn)證。

表1 事故酒店3 處PS 點(diǎn)沉降值

注：2019 年1 月10 日是本實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)起始點(diǎn)，其沉降數(shù)值為0。

表2 事故酒店3 處PS 點(diǎn)逐月的日平均沉降速率

圖3 3 處PS 點(diǎn)分布情況

圖4 事故酒店3 處PS 點(diǎn)沉降變化曲線

圖5 事故酒店P(guān)S 點(diǎn)逐月日平均沉降速率曲線

3 結(jié) 論

本文基于PS-InSAR 技術(shù)利用多期的哨兵一號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，對(duì)泉州市坍塌事故酒店及其周邊事發(fā)前一年時(shí)間里的沉降情況進(jìn)行了觀測(cè)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：事故酒店在最初時(shí)間段里的沉降情況基本是輕微和平穩(wěn)的，但受非法建設(shè)、違規(guī)改造但影響，酒店建筑開始出現(xiàn)嚴(yán)重且不均勻的沉降，直至酒店發(fā)生坍塌事故，這與國(guó)務(wù)院事故調(diào)查報(bào)告中的事故分析是相吻合的。

研究過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了某些尚未明確的問題，如在對(duì)事故酒店建筑沉降情況進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)有部分月份的沉降數(shù)值存在小的突變，目前初步判斷是由于這個(gè)時(shí)期的SAR 影像數(shù)據(jù)存在異常所導(dǎo)致的，后續(xù)的工作將進(jìn)一步獲取相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以期解決上述疑問。