InSAR 技術(shù)在超高層建筑變形監(jiān)測的應(yīng)用研究

李瑞峰，常 樂，秦 海

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.國家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013）

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各個(gè)城市不斷建設(shè)超高層建筑作為地標(biāo)建筑，超高層復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系和施工工藝給施工帶來了巨大的挑戰(zhàn)。施工期間超高層建筑荷載不斷增加和外部環(huán)境的影響，導(dǎo)致超高層建筑變形增大，為保證施工的順利進(jìn)行和結(jié)構(gòu)的安全，有必要對超高層建筑進(jìn)行變形監(jiān)測。InSAR 技術(shù)對超高層建筑進(jìn)行變形監(jiān)測，具有大范圍、高密度、強(qiáng)時(shí)效性、對大氣和季節(jié)的影響不敏感等優(yōu)點(diǎn)。施工過程中，對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進(jìn)行變形監(jiān)測，當(dāng)超高層結(jié)構(gòu)在施工過程中出現(xiàn)超規(guī)范的變形情況發(fā)出預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，對保障超高層結(jié)構(gòu)安全和施工順利進(jìn)行具有重要意義［1-6］。

國外學(xué)者對地面干涉雷達(dá)變形監(jiān)測應(yīng)用方面進(jìn)行了研究，1999 年 DTarchi 等［7］采用 LISA 技術(shù)對 Schwaz 鎮(zhèn)的滑坡體進(jìn)行了變形監(jiān)測研究；GLuzi 等［8］對 Belvedere 冰川的移動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測；GAntonello 等［9］利用星載 SAR 和地面 SAR 對 Stromboli 火山進(jìn)行了變形監(jiān)測。

然而，國內(nèi)關(guān)于 InSAR 技術(shù)對超高層建筑進(jìn)行變形監(jiān)測的研究相對較少。本文以國內(nèi)某超高層變形監(jiān)測為例，對 InSAR 技術(shù)對超高層建筑進(jìn)行變形監(jiān)測進(jìn)行了研究。

1 InSAR 變形測量技術(shù)

InSAR 變形測量技術(shù)采用合成孔徑雷達(dá)技術(shù)與干涉測量技術(shù)相結(jié)合的方法，主要分為 D-InSAR 方法和 PSInSAR 方法。通過研究這 2 種方法的基本原理和 InSAR 的技術(shù)特征，對研究超高層建筑變形監(jiān)測有重要意義。

1.1 D-InSAR 方法

合成孔徑雷達(dá)（SAR）是一種主動(dòng)式微波遙感，所獲取的像素用來記錄地面分辨元的雷達(dá)后向散射強(qiáng)度信息及相位信息，反映了地表屬性，相位信息包含雷達(dá)與目標(biāo)物之間的距離信息，InSAR 系統(tǒng)相位示意圖如圖 1 所示。將覆蓋同一地區(qū)的兩幅雷達(dá)圖像對象像素的相位值相減，得到該地區(qū)的相位差圖，即干涉相位圖。InSAR 技術(shù)利用該地區(qū)的干涉相位圖中的干涉相位信號，提取和分離目標(biāo)物的高程和位移信息。干涉相位表達(dá)式如式（1）所示。［10］

式中：φflat為平地相位；φtopo為地形相位，可以用來獲得地形信息；φdef為形變相位；φatmo為大氣延遲相位；φnoise為觀測噪聲相位，相位以度（角度）作為單位。

圖1 InSAR 系統(tǒng)相位示意圖

為得到形變相位，需要把相位信息中的平地相位、地形相位、大氣延遲相位和觀測噪聲相位去除，這種方法稱為雷達(dá)差分干涉技術(shù)（D-InSAR）。

從圖 2 中可以得出以下關(guān)系，如式（2）所示。

式中：Δr為地面目標(biāo)點(diǎn)的LOS向形變信息，m；λ為雷達(dá)波長，m。

圖2 差分干涉測量幾何關(guān)系（D-InSAR）

1.2 PS-InSAR 方法

PS-InSAR 方法是指永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測量技術(shù)，PS-InSAR 技術(shù)中的永久散射體（PS）指對雷達(dá)波的后向散射較強(qiáng)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、裸露的巖石以及人工布設(shè)的角反射器等目標(biāo)。PS 點(diǎn)幾乎不受相關(guān)噪聲影響，即使在多年時(shí)間間隔的干涉對中仍然保持較高的干涉相關(guān)性。由于永久散射體可在很長時(shí)間間隔內(nèi)保持高相干，并且在空間基線距超過臨界基線距的情況下，也能夠保持高相干性，這樣便可充分利用長基線距的干涉圖像對，最大限度地提高數(shù)據(jù)的利用率；因此，可找出研究區(qū)域內(nèi)的 PS 點(diǎn)，通過對這些 PS 點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間序列分析，消除大氣的影響，便能準(zhǔn)確測量到 PS 點(diǎn)的形變量，從而監(jiān)測到目標(biāo)區(qū)域的變化，并精確地反映出所監(jiān)測區(qū)域的相對位移［11］。

目前，PS-InSAR 技術(shù)在城市地面沉降監(jiān)測和重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。通過和同期水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)和 GPS 測量數(shù)據(jù)對比，證實(shí) PS-InSAR 技術(shù)具有較高的可靠性，因此采用 PS-InSAR 技術(shù)對超高層建筑進(jìn)行變形監(jiān)測是可行的。

1.3 InSAR 技術(shù)特征

第一，無需地面布置監(jiān)測設(shè)備，由于雷達(dá)衛(wèi)星干涉測量監(jiān)測無需地面測站，不受監(jiān)測時(shí)間和空間的限制。同時(shí)可以避免地面控制點(diǎn)的限制，尤其是不用設(shè)置中間過渡點(diǎn)，且不必建標(biāo)，從而可節(jié)省大量的人力和物力，大大提高監(jiān)測效率。

第二，主動(dòng)發(fā)射微波，雷達(dá)衛(wèi)星干涉測量由地面控制站根據(jù)監(jiān)測任務(wù)安排，制定衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取計(jì)劃，衛(wèi)星根據(jù)編程指令，繞行地球通過制定區(qū)域時(shí)，向地面主動(dòng)發(fā)射微波并接收回波完成測量。

第三，監(jiān)測點(diǎn)密度高，常規(guī)監(jiān)測條件下，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量一般為 1～100 個(gè)/km2的離散孤立監(jiān)測點(diǎn)，僅能近似地反映區(qū)域形變的情況。雷達(dá)干涉測量監(jiān)測點(diǎn)數(shù)平均密度可達(dá) 20 000個(gè)/km2，高密度分布的觀測點(diǎn)為觀測區(qū)域內(nèi)不同目標(biāo)的形變分析提供客觀數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)連續(xù)形變特征分析。

第四，全天候觀測，雷達(dá)衛(wèi)星干涉測量不受氣候條件的限制，在夜晚或是風(fēng)雪雨霧條件下仍能進(jìn)行有效觀測。

第五，全自動(dòng)化觀測，由于雷達(dá)衛(wèi)星干涉測量的數(shù)據(jù)采集工作是自動(dòng)進(jìn)行的，同時(shí)衛(wèi)星與接收站、接收站與用戶之間通過數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行聯(lián)系，故用戶可以較為方便地把雷達(dá)衛(wèi)星干涉測量監(jiān)測系統(tǒng)建成全自動(dòng)化的監(jiān)測系統(tǒng)。這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)不但可保證長期連續(xù)運(yùn)行，而且可大幅度降低變形監(jiān)測成本，提高監(jiān)測資料的可靠性。

第六，精度高，mm 級的精度已可滿足一般崩滑體變形監(jiān)測的精度要求，因而可在滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測中得到廣泛的應(yīng)用，成為一種新的有效的監(jiān)測手段。

2 工程應(yīng)用

WHZX 超高層建筑位于武漢市，地下 5 層，地上 98 層，建筑高度 475 m，采用 SRC 巨型柱框架、型鋼混凝土核心筒和伸臂桁架結(jié)構(gòu)體系。WHZX 超高層結(jié)構(gòu)采用內(nèi)置異形型鋼混凝土巨柱、內(nèi)置型鋼或鋼板（鋼骨柱）鋼筋混凝土核心筒、連接核心筒與外框的伸臂桁架、約束結(jié)構(gòu)變形的環(huán)帶桁架以及對應(yīng)樓層結(jié)構(gòu)鋼梁、組合樓板組成，如圖 3 所示。WHZX 超高層結(jié)構(gòu)高度超限，隨著結(jié)構(gòu)施工的進(jìn)行，在結(jié)構(gòu)荷載不斷增加和環(huán)境影響下，超高層建筑會(huì)產(chǎn)生變形。如果變形達(dá)到一定程度，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性，甚至發(fā)生倒塌，因此有必要對結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行監(jiān)測工作，當(dāng)超高層結(jié)構(gòu)在施工過程中出現(xiàn)超規(guī)范的變形情況會(huì)發(fā)出預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，保障超高層結(jié)構(gòu)施工安全。

圖3 WHZX 結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 變形監(jiān)測 PS 點(diǎn)位圖

圖5 Q 1 點(diǎn)變形監(jiān)測曲線

圖6 Q 2 點(diǎn)變形監(jiān)測曲線

圖7 Q 3 點(diǎn)變形監(jiān)測曲線

圖8 Q 4 點(diǎn)變形監(jiān)測曲線

圖9 Q 5 點(diǎn)變形監(jiān)測曲線

圖10 Q 6 點(diǎn)變形監(jiān)測曲線

選取 6 個(gè) PS 點(diǎn)，WHZX 超高層變形監(jiān)測 PS 點(diǎn)如圖 4 所示，監(jiān)測點(diǎn)選擇在核心筒一層剪力墻位置處。變形監(jiān)測曲線如圖 5～10 所示，其中 Q1 點(diǎn)與 Q2 點(diǎn)變形基本一致，Q3 點(diǎn)與 Q4 點(diǎn)變形基本一致，Q5 點(diǎn)與 Q6 點(diǎn)變形基本一致，最大不均勻沉降約 4 mm，其中 2016 年武漢發(fā)生洪澇災(zāi)害，變形值有所上升。InSAR 變形曲線與實(shí)際沉降規(guī)律一致，變形未超過規(guī)范限值，施工順利進(jìn)行。

3 結(jié)語

施工期間超高層建筑荷載不斷增加和外部環(huán)境的影響，導(dǎo)致超高層建筑變形增大，為保證施工的順利進(jìn)行和結(jié)構(gòu)的安全，有必要對超高層建筑進(jìn)行變形監(jiān)測。通過 InSAR 技術(shù)在 WHZX 超高層變形監(jiān)測中的應(yīng)用，證明 InSAR 技術(shù)具有大范圍、高密度、強(qiáng)時(shí)效性、對大氣和季節(jié)的影響不敏感等優(yōu)點(diǎn)。施工過程中，對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位進(jìn)行變形監(jiān)測，當(dāng)超高層結(jié)構(gòu)在施工過程中出現(xiàn)超規(guī)范的變形情況會(huì)發(fā)出預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，對保障超高層結(jié)構(gòu)安全和施工順利進(jìn)行具有重要意義。Q