基于PS-InSAR 技術的南京市河西地區建筑物穩定性評估

孫靜雯，張琪，吳學雨，馬狀，逯煥波

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

1 引言

城市建筑設施是人居環境的重要組成部分，建筑物的結構健康問題直接關系城市環境和社會可持續發展。近年來，由地下水抽取、地下空間開發等引起的地面沉降問題日益嚴重，造成建筑物結構形變和損毀，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，如何快速準確地監測城市建筑物形變，合理評估其危害程度是城市基礎地質調查、市政建設規劃的基礎工作。2001 年，Ferretti 等[1]提出基于永久散射體（Permanent Scatterer,PS）的干涉測量技術（PSInSAR）。PS 對應像元的相位序列在長時間內表現穩定，基本不受時間、空間失相干影響，僅對這些點進行時序分析，可以有效分離大氣延遲相位，提高形變監測精度，在建筑物形變監測領域應用廣泛[2,3]。

南京市河西區域地處長江東岸，河漫灘涂地質，地質環境背景比較復雜。隨著經濟的迅速發展，城市建設日新月異，工程活動對地質環境產生了巨大的影響，不合理工程活動誘發的地質災害時有發生。因此，本文利用PS-InSAR 技術反演南京市河西區域地面沉降，并提出一套建筑物穩定性評估體系，對河西區域地表建筑物形變進行監測，并對建筑物的穩定性進行評估和分析。

2 PS-InSAR 數據處理及結果

PS-InSAR 技術利用多幅時序SAR 影像聯合解算形變信息，即通過確定一幅公共主影像，選取系列時序影像中反射信號強的穩定參考點作為PS 點，分離形變和大氣延遲信息，計算高精度的形變相位信息。

本文利用覆蓋河西地區的2012 年6 月12 號至2016 年7月14 號時間段共46 景COSMO-SkyMed 影像，基于PSInSAR 方法，進行形變信息反演。處理流程主要包括：（1）影像配準處理。選取2014 年6 月23 日影像作為主影像，與其他SAR 影像進行干涉處理，得到45 個干涉對（見圖1），并進行配準，配準精度需達到1/8pixel。（2）差分干涉處理。對已配準主輔影像進行前置濾波，共軛相乘生成干涉圖，并根據外部DEM 數據進一步去除地形相位生成差分干涉相位，逐像元計算生成差分干涉圖。（3）PS 點集選取。利用幅度離散指數先快速設立PS 候選點集，結合相位相關系數和信噪比等因子加入迭代運算，提取PS 點差分干涉相位。（4）形變反演。利用PS 點位解纏相位，與形變相位、DEM 誤差相位、各種噪聲相位等構建相關模型，迭代求解參數，提取PS 點雷達視線方向的平均沉降速率和累計沉降量，并轉換為垂直方向。

圖1 PS 干涉對時空基線分布圖

為了能夠直觀、清楚地反映河西區域建筑物地面沉降的空間分布趨勢，將PS 點與河西建筑物矢量圖進行疊加，篩選出63 359 個建筑物PS 點，結果如圖2 所示。

圖2 河西建筑物沉降分布圖

本次InSAR 監測結果顯示，河西建筑物沉降主要分布在鼓樓區的江東街道、鳳凰街道，建鄴區的莫愁湖街道、南苑街道，雨花臺區的西善橋街道。監測范圍內最大沉降速率為52.3mm/a，沉降量達212.6mm，位于鼓樓區的江東街道。

3 城市建筑物穩定性評估

為進一步監測河西建筑物穩定性狀況，提出一套建筑物穩定性評估體系，即在獲取InSAR 建筑物形變信息的基礎上，依據建筑行業相關規范（GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》、JGJ 125—2016《危險房屋鑒定標準》）和建筑形變監測相關規范（GJ 8—2016《建筑形變測量規范》），結合建筑物最大沉降速率及差異沉降值（獨立建筑物最大最小沉降值差值）兩類參數，并將其風險分類等級量化為1、2、3、4，利用層次分析法（AHP）[4]確定參數權值，如表1 所示，通過加權計算建筑物穩定性評分值，并引入分類規則，以評估建筑物穩定性（C）[4]。

表1 建筑物穩定性評估因子分級標準

穩定性評估模型如下：

式中，C 為建筑物穩定性評分，K1、K2分別為層次分析法計算得到權值，V 為最大沉降速率風險評估值，D 為差異沉降風險評估值。

圖3 河西建筑物穩定性等級分類圖

根據穩定性評估模型計算建筑物穩定性評估值，并按風險分類規則進行穩定性分析，結果如圖3 所示。河西區域共統計出91 096 棟建筑物，未檢測到PS 點的建筑物有79 325 棟，占比87.1%；A 級建筑物為9 806 棟，占比10.7%；B 級建筑物為1 912 棟，占比2.1%；C 級建筑物存在53 棟，占比0.1%；D級建筑物為0 棟。其中：

1）0 級——藍色，評估值為0，表示該建筑物無PS 點；

2）A 級——綠色，評估值為0～1.5，表示該建筑物安全；

3）B 級——青色，評估值為1.5～2.5，表示該建筑物穩定性一般，值得被關注；

4）C 級——橙色，評估值為2.5～3.5，表示該建筑物較不穩定，需要重點關注；

5）D 級——紅色，評估值在4 以上，表示該建筑物極不穩定，需立即進行現場監測。

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

4 結論

本文利用PS-InSAR 技術，獲得了2012—2016 年南京河西區域建筑物沉降狀況，并結合建筑物穩定性評估模型，對建筑物進行穩定性評估。研究結果表明，河西新城地區重點沉降主要發生在鼓樓區的江東街道及鳳凰街道建筑群，建鄴區的莫愁湖街道及南苑街道建筑群，雨花臺區的西善橋街道建筑群，監測范圍內最大沉降速率為52.3mm/a，沉降量達212.6mm，位于鼓樓區的江東街道。另外，建筑穩定性分析表明，河西地區大部分建筑處于穩定狀態，符合安全標準；存在53 處建筑評估分值處于不穩定狀態，主要分布于鳳凰大街，需要相關部門引起重視。