基于PS-InSAR的建筑及道路動(dòng)態(tài)沉降安全監(jiān)測(cè)

黃寶華 周利霞 孔祥僑

摘要：為研究建筑及道路的動(dòng)態(tài)沉降，采用覆蓋威海市環(huán)翠區(qū)的20景哨兵（Sentinel-1）干涉雷達(dá)測(cè)量（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）數(shù)據(jù)，采用時(shí)間序列永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（persistent scatterer InSAR，PS-InSAR）技術(shù)提取該區(qū)域地表不同構(gòu)筑物沉降點(diǎn)，對(duì)環(huán)翠區(qū)地表建筑物和道路沉降進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明：環(huán)翠區(qū)建筑物高度與沉降正相關(guān)；鐵路和公路的沉降由北向南依次減小，在山區(qū)等人為干擾少、地質(zhì)條件較好的地區(qū)，基本不發(fā)生沉降；威海市環(huán)翠區(qū)年沉降量大于10 mm的點(diǎn)主要分布在沖積-海積物等堆積的北部地區(qū)，并集中在碼頭、建筑區(qū)等人工工程地區(qū)。北部地區(qū)沉降量大的主要原因是環(huán)翠區(qū)地層較松散，含水量較高，易發(fā)生沉降；該地區(qū)人工工程相對(duì)較多，對(duì)地下土體施加壓力，導(dǎo)致土層沉降。分析InSAR數(shù)據(jù)能較好地監(jiān)測(cè)大范圍地表沉降情況，為地表沉降治理和決策提供支持。

關(guān)鍵詞：InSAR；動(dòng)態(tài)地表沉降；PS-InSAR；建筑物高度

中圖分類(lèi)號(hào)：U412.24;X959;P237文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-0032（2024）02-0053-07

引用格式：黃寶華，周利霞，孔祥僑.基于PS-InSAR的建筑及道路動(dòng)態(tài)沉降安全監(jiān)測(cè)［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2024，32（2）：53-59.

HUANG Baohua， ZHOU Lixia， KONG Xiangqiao.Monitoring of dynamic settlement safety for buildings and roads based on PS-InSAR［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：53-59.

0?引言

地面沉降是地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)破壞引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，易引發(fā)其他環(huán)境災(zāi)害，導(dǎo)致地面坍塌、建筑物傾斜或墻體開(kāi)裂、倒塌、交通軌道變形等，沿海地區(qū)的地面沉降會(huì)導(dǎo)致海水倒灌，引起土壤和地下水的鹽堿化[1-2]。地下資源，尤其是過(guò)度開(kāi)采地下水是地面沉降的主要原因。近年來(lái)，隨城市建設(shè)的快速發(fā)展，地表土層過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，建筑物的鋼筋混凝土靜荷載、交通網(wǎng)絡(luò)形成的動(dòng)載荷急劇變化，在一定程度上影響局部的地面沉降[3-4]。我國(guó)超過(guò)20個(gè)省份受地面沉降影響，每年的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億元[5]。合理監(jiān)測(cè)地表沉降，分析沉降的發(fā)展趨勢(shì)，可提前預(yù)警，保障建筑物和道路安全[6-8]。大中型城市覆蓋范圍廣，地質(zhì)地形復(fù)雜。在建筑物和道路上布設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)地表沉降的傳統(tǒng)方式無(wú)法實(shí)施大面積監(jiān)測(cè)，且時(shí)效性較差[9-11]。主動(dòng)遙感的合成孔徑雷達(dá)技術(shù)具有非接觸性、高精度、監(jiān)測(cè)面積大、實(shí)時(shí)響應(yīng)和數(shù)據(jù)豐富等優(yōu)點(diǎn)，時(shí)間序列合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）應(yīng)用廣泛[12-13]。Ferretti等[14]將永久散射體合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（persistent scatterer InSAR，PS-InSAR）引入振幅離差，提取時(shí)間序列上的穩(wěn)定永久散射體點(diǎn)，監(jiān)測(cè)精度可達(dá)mm級(jí)。張君怡等[15]認(rèn)為PS-InSAR地面沉降技術(shù)較經(jīng)濟(jì)，監(jiān)測(cè)效果較好。秦曉瓊等[16]應(yīng)用高分辨率PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)上海動(dòng)遷房歪斜形變，監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度較高。蔣亞楠等[17]采用時(shí)間序列干涉測(cè)量方法監(jiān)測(cè)上海磁懸浮列車(chē)專(zhuān)線的形變。已有文獻(xiàn)中監(jiān)測(cè)建筑物和道路的沉降，并分析其與建筑物高度、荷載等相關(guān)性的研究較少。

本文根據(jù)覆蓋威海市的20景哨兵影像數(shù)據(jù)，采用PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)威海市建筑物和道路的沉降，并外業(yè)核查驗(yàn)證建筑物和道路的沉降風(fēng)險(xiǎn)，保障建筑安全和道路的可持續(xù)運(yùn)營(yíng)。

1?研究區(qū)概況和使用數(shù)據(jù)

1.1?研究區(qū)概況

環(huán)翠區(qū)位于威海市中心城區(qū)，下轄5個(gè)街道和4個(gè)鎮(zhèn)，截至2023年底，常住人口為47.86萬(wàn)人。環(huán)翠區(qū)地處北緯37°15′～37°34′，東經(jīng)121°51′～122°24′，南北縱向距離為28 km，東西橫向距離為29 km?？偯娣e為387.39 km2，平均海拔70～100 m，為低山丘陵區(qū)，中部和東南部高，平原低地地勢(shì)較平緩，低山平原低地和丘陵相間分布。大陸海岸線長(zhǎng)約43 km，區(qū)境內(nèi)海岸線東起茅子草河口中心，西至與煙臺(tái)市牟平區(qū)交界處。海岸線蜿蜒曲折，岬灣交錯(cuò)，灘涂廣闊，多為天然良港和天然海水浴場(chǎng)。岬角地帶坡陡水深，20 m等深線靠近岸邊，地形復(fù)雜，景觀多樣。環(huán)翠區(qū)自然地理分布如圖1所示。

1.2?采用數(shù)據(jù)

哨兵1號(hào)（Sentinel-1）衛(wèi)星是歐洲航天局哥白尼計(jì)劃中的地球觀測(cè)衛(wèi)星，由2顆衛(wèi)星組成，載有C波段合成孔徑雷達(dá)。采用哨兵1號(hào)的數(shù)據(jù)覆蓋威海市環(huán)翠區(qū)，每月1期，共取20景數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取日期分別為： 2019-06-12、2019-07-18、2019-08-23、2019-09-28、2019-10-22、2019-11-27、2019-12-21、2020-01-26、2020-02-19、2020-03-26、2020-04-19、2020-05-25、2020-06-18、2020-07-24、2020-08-17、2020-09-22、2020-10-28、2020-11-21、2020-12-27、2021-02-01。處理PS-InSAR數(shù)據(jù)時(shí)，以2019-02-10的影像為主影像，共形成19個(gè)干涉對(duì)。其他數(shù)據(jù)為中國(guó)10 m分辨率建筑物高度數(shù)據(jù)、環(huán)翠區(qū)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、1∶100萬(wàn)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、高清衛(wèi)星數(shù)據(jù)等。選擇桃威鐵路、青榮城際鐵路作為鐵路沉降研究區(qū)，選擇威海—石島（S201）、威?！鄭u（S202）、威?！茨⊿S203）、石島—煙臺(tái)（S301）、威海繞城（S709）、威海環(huán)海路（S704）、成山衛(wèi)—龍口（S302）、榮成—烏海高速（G18）等8條公路作為公路沉降研究區(qū)。

2?理論方法

采用PS-InSAR技術(shù)提取形變數(shù)據(jù)[18-20]，采用光學(xué)影像Google Earth/高分衛(wèi)星和實(shí)地考察數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研、分析。技術(shù)路線如圖2所示。

采用20景SAR影像，以其中1景為主影像，其余影像與其配準(zhǔn)進(jìn)行干涉處理，得到干涉圖。采用數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)對(duì)干涉圖進(jìn)行差分干涉處理，得到差分干涉圖。對(duì)SAR影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和配準(zhǔn)。采用定標(biāo)和配準(zhǔn)后的SAR影像經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)生成干涉圖，采用PS-InSAR技術(shù)計(jì)算得到形變速率累積型變量后分解形變數(shù)據(jù)，提取形變信息，分析形變?cè)颉?/p>

PS-InSAR技術(shù)建立在相干性高的永久散射體上，采用多時(shí)相數(shù)據(jù)估計(jì)效果更好，可去除大氣效應(yīng)。PS-InSAR采用單一主影像，即選擇1幅影像作為主影像，其他影像配準(zhǔn)至主影像空間，篩選穩(wěn)定幅度和相位的永久性散射體，采用永久性散射體的相位特性進(jìn)行建模和解算。差分干涉相位模型為：

φPS=φdef+φf(shuō)lat+φtopo+φatm+φn，

式中：φPS為干涉像對(duì)生成的干涉相位總量；φdef為地面沉降引起的方向形變相位；φf(shuō)lat為參考橢球引起的相位分量；φtopo為地形引起的相位分量，可采用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)去除；φatm為大氣延遲引起的延遲相位；φn為大氣延遲引起的噪聲相位。

3?環(huán)翠區(qū)地面沉降規(guī)律分析

3.1?地表沉降分布

沉降大于10 mm 的Getis-ord Gi*熱點(diǎn)、聚類(lèi)和異常值如圖3所示。由圖3可知：威海市環(huán)翠區(qū)年沉降大于10 mm的區(qū)域主要分布在北部的沖積-海積平原工程地質(zhì)區(qū)。沿海地帶及河流入?？谥饕蓻_積物和海積物等堆積物組成，厚度小于10 m，局部較厚。該地區(qū)是居民主要聚居區(qū)，徐家疃街道辦事處、怡園街道辦事處的遠(yuǎn)遙碼頭、碧海莊園、隆御維多利亞等地沉降點(diǎn)密集，沉降均較大。丘陵地帶的變質(zhì)巖主要巖性為片麻巖，演示具片麻狀構(gòu)造，力學(xué)性質(zhì)好，質(zhì)地堅(jiān)硬、較致密，抗水性強(qiáng)，透水性弱，且丘陵地區(qū)人工工程較少，此區(qū)域地表沉降較小或無(wú)沉降，如中部丘陵地區(qū)的佛頂、里口山、仙姑頂?shù)葏^(qū)域。經(jīng)聚類(lèi)和異常值分析，沉降大于10 mm的沉降點(diǎn)高值主要分布在張村鎮(zhèn)、溫泉鎮(zhèn)、羊亭鎮(zhèn)、崗山鎮(zhèn)、皇冠街道辦事處等處。

3.2?地表沉降與建筑物高度關(guān)系

注：帶**數(shù)據(jù)小于0.001。

將受建筑物高度影響的地表沉降作為影響因素，采用最小二乘線性回歸模型進(jìn)行回歸分析，如表1所示。

由表1可知：地表沉降的回歸系數(shù)為0.154，T統(tǒng)計(jì)的地表沉降為4.074，概率P=0.000 05，說(shuō)明該最小二乘線性回歸模型顯著，建筑物高度與沉降成正比，建筑物越高，荷載越大，沉降越大。

建筑物的地基類(lèi)型、地下水位等因素也影響沉降，建筑物高度和沉降大于10 mm的沉降點(diǎn)分布如圖4所示。由圖4可知，沉降較大區(qū)域主要集中在環(huán)翠區(qū)北部。地基沉降時(shí)，高層建筑易出現(xiàn)傾斜或產(chǎn)生裂縫等，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致建筑物倒塌。

3.3?典型沉降點(diǎn)監(jiān)測(cè)分析

選取下墊面具有典型代表性的遠(yuǎn)遙碼頭、雨潤(rùn)城售樓處、環(huán)海路、森林地區(qū)等4個(gè)沉降大于10 mm的研究點(diǎn)，沉降變化如圖5所示。4個(gè)研究點(diǎn)的沉降均增大，擬合曲線的相關(guān)性大于0.840 0，沉降的下降趨勢(shì)由大到小依次為森林地區(qū)、遠(yuǎn)遙碼頭、環(huán)海路、雨潤(rùn)城售樓處，沉降與時(shí)間的關(guān)系曲線不是單邊下行光滑曲線。遠(yuǎn)遙碼頭沉降較大，最大接近40.00 mm，由2019-06-12的基準(zhǔn)0持續(xù)降至2020-01-26的18.84 mm后，穩(wěn)定在20.00 mm；雨潤(rùn)城售樓處和環(huán)海路的沉降點(diǎn)發(fā)展情況相同，即相對(duì)于其他2處沉降點(diǎn)，總體沉降小，但變化較大。森林地區(qū)整體沉降變化較小，個(gè)別地方沉降較大。

3.4?鐵路沉降和公路沉降分析

環(huán)翠區(qū)重點(diǎn)鐵路和公路的沉降分布如圖6所示。

威海市環(huán)翠區(qū)內(nèi)鐵路和公路的沉降由北向南階梯減小，與巖土工程地質(zhì)分區(qū)情況相符，即分布于沿海地帶，呈帶狀展布，區(qū)面寬 500～3 000 m，地面平坦的無(wú)軟土分布工程地質(zhì)區(qū)的沉降較大，區(qū)域分布較廣的丘陵工程地質(zhì)區(qū)的沉降較小。

桃威、青榮城際鐵路沉降大于10 mm的沉降點(diǎn)較少，分布較分散。在張村河—貔子窩進(jìn)入隧道前沉降為5～6 mm，在以質(zhì)地堅(jiān)硬的花崗巖為主的佛頂山附近，因鐵路進(jìn)入隧道，基本無(wú)沉降發(fā)生；離開(kāi)佛頂山區(qū)至與繞城路接口處的區(qū)間，鐵路沉降為1～4 mm；由此沿鐵路線沉降繼續(xù)減小，沉降小于1 mm。威海環(huán)翠區(qū)公路沉降大于10 mm的點(diǎn)主要分布在環(huán)海路，文化西路—環(huán)海路半月灣隧道口的沉降超過(guò)7 mm，最嚴(yán)重的區(qū)域?yàn)榫缸哟甯浇?；世昌大道和半月灣隧道—解放路的沉降?～6 mm；新威路—濱海中路的沉降為4～5 mm，且位于城區(qū)的濱海中路的沉降點(diǎn)明顯多于新威路。G228至徐家河、崮山大橋、曲阜山體公園一帶的沉降為1～2 mm，再往南沉降為0～1 mm。

4?結(jié)束語(yǔ)

威海市環(huán)翠區(qū)年沉降大于10 mm的點(diǎn)主要分布在沖積-海積物等堆積的北部地區(qū)，并集中在碼頭、建筑區(qū)等人工工程地區(qū)。建筑物的高度與建筑物重量相關(guān)，影響建筑物的沉降。鐵路和公路的沉降由北向南依次減小，山區(qū)等人為干擾少，地質(zhì)條件好的地區(qū)基本不發(fā)生沉降。

城市地面沉降的主要原因是過(guò)度修建高層建筑和過(guò)度抽取地下水。因此，需合理利用地下水資源，控制地下水的開(kāi)采量?？刹捎萌斯ぱa(bǔ)給地下水，注入淡水等措施保持地下水位的穩(wěn)定。在高層建筑的設(shè)計(jì)和施工中需加固地基，將荷載向土層較深處傳遞，減少對(duì)地面沉降的影響。容積率也是影響地表沉降的重要因素，在特定容積率下，間距大的高層建筑地基深度大，其影響荷載在深部土層疊加，有利于減小地面沉降。在設(shè)計(jì)和建造高層建筑時(shí)，采用輕型結(jié)構(gòu)和輕質(zhì)建材的建筑物相對(duì)不易出現(xiàn)沉降問(wèn)題，確保建筑物的安全和穩(wěn)定性。

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Monitoring of dynamic settlement safety for buildings and

roads based on PS-InSAR

HUANG Baohua1，2，3， ZHOU Lixia4， KONG Xiangqiao5

1. School of Civil Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China;

2. Shandong Provincial Data Open Innovation Application Laboratory， Jinan 250357， China;

3. Shandong Xingyi Spacetime Information Technology Co.， Ltd.， Yantai 264003， China;

4. Yantai Urban Planning Exhibition Hall， Yantai 213167， China

5. School of Resources and Environmental Engineering， Ludong University， Yantai 264025，China

Abstract：In order to study the dynamic settlement of buildings and roads， interferometric synthetic aperture radar （InSAR） data from 20 Sentinel-1 satellites covering Huancui District， Weihai City are used. The persistent scatterer InSAR （PS-InSAR） technology is employed to extract surface settlement points of different structures in the region and dynamically monitor the settlement of buildings and roads in Huancui District. The results show that the height of buildings in Huancui District is positively correlated with settlement; the settlement of railways and highways decreases from north to south. In areas with less human interference and better geological conditions such as mountainous areas， settlement is minimal. Points in Huancui District with an annual settlement greater than 10 mm are mainly concentrated in the northern part of the region where alluvial and aeolian deposits accumulate， with a concentration in artificial engineering areas such as docks and construction zones. The main reason for significant settlement in the northern region is loose geological strata with high water content， making them susceptible to settlement. There is a relatively high amount of artificial engineering activities in the area， exerting pressure on the underlying soil layers and causing settlement. Analyzing InSAR data can effectively monitor widespread surface settlement， and provide support for subsidence governance and decision-making.

Keywords：InSAR; dynamic surface settlement; PS-InSAR; building height

（責(zé)任編輯：王惠）

收稿日期：2023-10-16

基金項(xiàng)目：山東省交通運(yùn)輸科技計(jì)劃項(xiàng)目（2022B106）；泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才工程項(xiàng)目（tscy 20131229）;山東交通學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（BS2021007）

第一作者簡(jiǎn)介：黃寶華（1977—），男，吉林臨江人，副教授， 工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)镚IS與遙感應(yīng)用，E-mail： huangbaohua78@126.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.008