應用高分辨率PS-InSAR技術監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. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079； 2. 國土資源部地面沉降與防治重點實驗室，上海 200072； 3. 上海市地質調查研究院，上海 200072)

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應用高分辨率PS-InSAR技術監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. 武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430079； 2. 國土資源部地面沉降與防治重點實驗室，上海 200072； 3. 上海市地質調查研究院，上海 200072)

摘要：地面沉降是一種地面標高緩慢降低的環境地質災害，嚴重的不均勻沉降會造成地表建筑物的破壞甚至垮塌。針對上海川沙鎮心圓西苑小區“動遷房歪斜”事件，本文處理分析了2013—2014年上海主城區和浦東區的26景TerraSAR-X影像，并對沉降格局及其驅動因素進行了詳細的時空分析。在空間上，發現心圓西苑小區整體存在不均勻沉降，且發生歪斜的動遷房處沉降最為集中；在時間上，發現動遷房處PS點的沉降時間序列曲線與溫度變化趨勢存在一定的相關性；并對比主城區和浦東區的沉降結果進行了交叉驗證，證實了結果的可靠性。表明動遷房的歪斜形變與其自身的結構形變、長期的地面荷載不均衡和地下基礎工程施工建設造成的差異沉降密切相關，進一步說明了高分辨率InSAR技術在城市建筑物的形變監測、管理維護和預警方面均有廣闊的應用前景。

關鍵詞：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。受地面沉降災害的影響，上海已發生了多起房屋倒塌、歪斜事件，造成了嚴重的傷亡和損失。如2009年閔行蓮花河畔景苑一棟樓房整體臥倒，2012年浦江鎮一棟4層樓房部分坍塌，2014年川沙鎮心圓西苑小區兩棟15層動遷房明顯歪斜，這都對居民的人身和財產安全造成了極大的安全隱患。

隨著城市的發展，利用遙感影像進行城市建筑物的提取和監測成為遙感領域的熱點和難點[3-4]。PS-InSAR技術是一種允許遠程監測地表形變的技術，具有大范圍、高精度、動態監測等優勢，已經在地表沉降監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數據使得PS-InSAR技術不僅可以應用于局部地表沉降的精細測量[7-9]，還可以監測到更多的形變細節，這對于確保城市建筑物的安全十分重要。針對2014年上海川沙鎮心圓西苑小區“動遷房歪斜”事件，本文對該區域進行時間序列PS-InSAR地面沉降精細測量，并從空間和時間角度分析歪斜形變情況及其驅動因素，表明動遷房的歪斜與其自身的結構形變、長期的地面荷載不均衡及地下淺層基礎工程施工建設造成的差異沉降密切相關。

一、PS-InSAR形變監測算法

PS-InSAR技術統計分析同一地區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，在PS點上建立相位模型，利用多景干涉圖的相位構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數據使得PS-InSAR技術可以持續監測到大型單體建筑物的形變細節，為川沙鎮動遷房的形變監測提供了很好的技術支持。

本次試驗的主要處理流程包括：時序差分干涉圖生成、PS點的初選、心圓西苑PS點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點的初選

在散射特性方面，上海地區的建筑物、大型人工地物可以構成二面角、三面角等穩定的強散射，并表現為高相干點目標，便于時間序列InSAR技術的應用。本文利用Ferretti等提出的SAR幅度離散指數的方法進行PS點的初選，用幅度的穩定性近似表達相位的穩定性。

3. 心圓西苑PS點精選

得到PS候選集后，對川沙鎮心圓西苑小區進行進一步精細化處理。采用振幅離差和時間相干性雙重閾值提取PS點，在振幅離差探測基礎上，估計目標點時間序列上的信息，用時間相干系數提取滿足要求的PS點，提高估算精度。時間相干系數γ是干涉圖數目和像元時間序列相位的函數，定義為

(2)

完成振幅離差、時間相干系數雙重閾值提取后，要針對川沙鎮心圓西苑小區進行PS點的精選。首先，根據對實際情況和修正后所得高程值的具體分析，設定合理的高程閾值，剔除不關心的點目標，篩選出感興趣的點目標；然后，設定合理的相干性閾值，進一步精選出建筑物上穩定的點目標，確保結果的可靠性。

4. 形變量的解算

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

二、試驗區概況及試驗數據

20世紀以來，上海地面沉降問題很突出，已成為上海主要的地質災害之一[10]。浦東新區是上海新發展的區域，又是典型的軟土地基地區，地面差異沉降會造成地基下沉，破壞建筑物原有的應力平衡，危害城市公共安全。2014年上海川沙鎮心圓西苑兩棟15層動遷房發生明顯歪斜，樓頂靠攏成“∧”形，樓底部墻根與地基之間出現裂縫，燃氣管道彎折，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年間上海主城區和浦東區一共26景TerraSAR-X影像，其中上海主城區(左邊深灰色標記區)和浦東區(右邊淺灰色標記區)對應的覆蓋范圍如圖1所示，黑色方框為川沙鎮地區，它處于主城區和浦東區的重疊部分，黑色五角星代表心圓西苑小區。雖然該地區缺乏水準數據驗證，但上海整體的沉降結果已得到水準數據的精確驗證，且對比主城區和浦東區的沉降結果，可以形成交叉驗證，證實了結果的可靠性。

圖1　TerraSAR-X影像的覆蓋范圍

三、川沙鎮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分別為主城區和浦東區內川沙鎮的沉降速率分布圖，可以看出相干點目標主要分布在人工地物上，與實際情況相符。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為心圓西苑小區，大部分點都存在-4～4 mm/a的小幅波動，兩幅圖中黑色實線框內為發生明顯歪斜的兩棟動遷房的位置，內部白色圓圈面積較大，表明沉降速率明顯略大于周圍區域，約為-12～-8 mm/a。

進一步把心圓西苑小區內的PS點疊加到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。由于心圓西苑小區自2010年破土動工以來，長期受到地面上下基礎工程施工帶來的動荷載和不斷增加的地面靜荷載影響，地基穩定性逐漸遭到破壞，造成了整個小區的不均勻沉降，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生相互疊加的荷載效應，地面淺層一些大型設施的基礎工程施工相對頻繁，加快了地面下沉，這對于軟土地基尤為明顯[10]。

圖2　主城區川沙鎮沉降速率分布圖

圖3　浦東區川沙鎮沉降速率分布圖

圖4和圖5中黑框內為川沙鎮心圓西苑小區發生明顯歪斜的動遷房，可以看出，在兩邊覆蓋區域中它們都是整個小區內點的顏色最深的區域，即沉降最為集中的區域，沉降速率較大，周邊基本沒有抬升的點，約-8 mm/a左右。還可以看到發生歪斜的17、18兩棟居民樓在建設時，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，北面間距達到2 m，南面間距僅12 cm，且樓頂都設計了裝飾，外表有一定凸起，兩個房檐基本是靠在一起的。

圖4　主城區心圓西苑沉降速率分布圖

圖5　浦東區心圓西苑沉降速率分布圖

2. 沉降時間序列分析

利用中國氣象科學數據共享服務網公布的數據獲取當天的平均溫度與動遷房處PS點的沉降時間序列進行相關性分析，如圖6和圖7所示。其中黑色實線代表平均溫度，灰色虛線代表不同PS點形變時間序列，黑色虛線代表PS變化的趨勢線。對比主城區和浦東區的沉降結果，發現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，且與空間觀測的結果一致，證實了結果的可靠性。

圖6　主城區PS沉降時間序列曲線

圖7　浦東區PS沉降時間序列曲線

圖6和圖7中PS點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，溫度對混凝土的強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，建筑材料隨溫度發生收縮，下沉速率較快；7、8月溫度升高時，鋼筋混凝土結構的強度與剛度隨溫度升高顯著下降，容易發生膨脹，下沉速率減緩，甚至出現微量抬升；最后隨溫度的下降繼續加速下沉[11]。沉降量和溫度的變化規律表明，建筑材料隨溫度的熱脹冷縮效應與PS點的沉降時間序列曲線在時間上表現出一定的相關性，說明溫度的變化會對建筑物的形變產生一定的影響。

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力分布十分復雜，與建筑物的空間結構、建筑材料、地基性質、地下施工情況、所處位置等多種因素相關。

從內部看，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，它本身的形態構造、設計規范、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生的熱脹冷縮效應，會導致樓頂本來就碰在一起的房檐之間產生擠壓變形，形成裂縫并發生歪斜。

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施的基礎工程施工較為頻繁，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，地面會產生差異沉降，兩棟樓的中間區域成為地面動靜荷載最集中的位置，且地基性質為軟土地基，沉降最為集中且沉降速率較大，導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生擠壓碰撞，出現裂縫和歪斜現象。

圖8為川沙鎮動遷房歪斜形變的現場情況，分析表明這些現象與建筑物自身的結構形變、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。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場情況

四、結束語

高分辨率PS-InSAR技術是進行建筑物形變監測的有效方法之一。2014年浦東川沙鎮心圓西苑小區發生了動遷房歪斜形變，導致墻根與地基開裂，燃氣管彎折，給居民的生活造成了極大的安全隱患。本文對上海主城區和浦東區的TerraSAR-X影像進行了地面沉降精細測量，并著重對動遷房的歪斜形變及其驅動因素進行了詳細的時空分析。在空間上，發現心圓西苑小區整體存在-12～8 mm/a不均勻沉降和抬升，其中北邊發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點的沉降時間序列曲線與溫度變化趨勢進行相關性分析，發現溫度變化對建筑物形變有一定影響，并對比兩邊的試驗結果形成交叉驗證，證實了結果的可靠性。表明動遷房歪斜事件與其自身的結構形變、長期的地面荷載不均衡和地下淺層基礎工程施工建設造成的差異沉降密切相關。

高分辨率PS-InSAR可以應用于城市建筑物的沉降監測，并達到毫米級的監測精度，開展定期的城市沉降監測對于城市建筑物形變監測、管理維護和預警具有重要意義。

致謝：本文采用的時間序列TerraSAR-X數據由德國宇航院提供(項目編號：COA1755，GEO0606)，并由上海地質調查研究院協助進行了精度驗證，一并表示感謝。

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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技術地表沉降的監測和分析研究。E-mail：qinxaioqiong@whu.edu.cn

中圖分類號：P237

文獻標識碼：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． 應用高分辨率PS-InSAR 技術監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．