基于PS-InSAR的建筑及道路動態沉降安全監測

黃寶華 周利霞 孔祥僑

摘要：為研究建筑及道路的動態沉降，采用覆蓋威海市環翠區的20景哨兵（Sentinel-1）干涉雷達測量（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）數據，采用時間序列永久散射體合成孔徑雷達干涉測量（persistent scatterer InSAR，PS-InSAR）技術提取該區域地表不同構筑物沉降點，對環翠區地表建筑物和道路沉降進行動態監測。結果表明：環翠區建筑物高度與沉降正相關；鐵路和公路的沉降由北向南依次減小，在山區等人為干擾少、地質條件較好的地區，基本不發生沉降；威海市環翠區年沉降量大于10 mm的點主要分布在沖積-海積物等堆積的北部地區，并集中在碼頭、建筑區等人工工程地區。北部地區沉降量大的主要原因是環翠區地層較松散，含水量較高，易發生沉降；該地區人工工程相對較多，對地下土體施加壓力，導致土層沉降。分析InSAR數據能較好地監測大范圍地表沉降情況，為地表沉降治理和決策提供支持。

關鍵詞：InSAR；動態地表沉降；PS-InSAR；建筑物高度

中圖分類號：U412.24;X959;P237文獻標志碼：A文章編號：1672-0032（2024）02-0053-07

引用格式：黃寶華，周利霞，孔祥僑.基于PS-InSAR的建筑及道路動態沉降安全監測［J］.山東交通學院學報，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

地面沉降是地質環境系統破壞引發的地質災害，易引發其他環境災害，導致地面坍塌、建筑物傾斜或墻體開裂、倒塌、交通軌道變形等，沿海地區的地面沉降會導致海水倒灌，引起土壤和地下水的鹽堿化[1-2]。地下資源，尤其是過度開采地下水是地面沉降的主要原因。近年來，隨城市建設的快速發展，地表土層過度開發利用，建筑物的鋼筋混凝土靜荷載、交通網絡形成的動載荷急劇變化，在一定程度上影響局部的地面沉降[3-4]。我國超過20個省份受地面沉降影響，每年的經濟損失高達數百億元[5]。合理監測地表沉降，分析沉降的發展趨勢，可提前預警，保障建筑物和道路安全[6-8]。大中型城市覆蓋范圍廣，地質地形復雜。在建筑物和道路上布設水準點監測地表沉降的傳統方式無法實施大面積監測，且時效性較差[9-11]。主動遙感的合成孔徑雷達技術具有非接觸性、高精度、監測面積大、實時響應和數據豐富等優點，時間序列合成孔徑雷達干涉測量（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）應用廣泛[12-13]。Ferretti等[14]將永久散射體合成孔徑雷達干涉測量（persistent scatterer InSAR，PS-InSAR）引入振幅離差，提取時間序列上的穩定永久散射體點，監測精度可達mm級。張君怡等[15]認為PS-InSAR地面沉降技術較經濟，監測效果較好。秦曉瓊等[16]應用高分辨率PS-InSAR技術監測上海動遷房歪斜形變，監測結果準確度較高。蔣亞楠等[17]采用時間序列干涉測量方法監測上海磁懸浮列車專線的形變。已有文獻中監測建筑物和道路的沉降，并分析其與建筑物高度、荷載等相關性的研究較少。

本文根據覆蓋威海市的20景哨兵影像數據，采用PS-InSAR技術監測威海市建筑物和道路的沉降，并外業核查驗證建筑物和道路的沉降風險，保障建筑安全和道路的可持續運營。

1?研究區概況和使用數據

1.1?研究區概況

環翠區位于威海市中心城區，下轄5個街道和4個鎮，截至2023年底，常住人口為47.86萬人。環翠區地處北緯37°15′～37°34′，東經121°51′～122°24′，南北縱向距離為28 km，東西橫向距離為29 km。總面積為387.39 km2，平均海拔70～100 m，為低山丘陵區，中部和東南部高，平原低地地勢較平緩，低山平原低地和丘陵相間分布。大陸海岸線長約43 km，區境內海岸線東起茅子草河口中心，西至與煙臺市牟平區交界處。海岸線蜿蜒曲折，岬灣交錯，灘涂廣闊，多為天然良港和天然海水浴場。岬角地帶坡陡水深，20 m等深線靠近岸邊，地形復雜，景觀多樣。環翠區自然地理分布如圖1所示。

1.2?采用數據

哨兵1號（Sentinel-1）衛星是歐洲航天局哥白尼計劃中的地球觀測衛星，由2顆衛星組成，載有C波段合成孔徑雷達。采用哨兵1號的數據覆蓋威海市環翠區，每月1期，共取20景數據，數據獲取日期分別為： 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數據時，以2019-02-10的影像為主影像，共形成19個干涉對。其他數據為中國10 m分辨率建筑物高度數據、環翠區行政區劃數據、1∶100萬基礎地理信息數據、高清衛星數據等。選擇桃威鐵路、青榮城際鐵路作為鐵路沉降研究區，選擇威海—石島（S201）、威海—青島（S202）、威海—即墨（SS203）、石島—煙臺（S301）、威海繞城（S709）、威海環海路（S704）、成山衛—龍口（S302）、榮成—烏海高速（G18）等8條公路作為公路沉降研究區。

2?理論方法

采用PS-InSAR技術提取形變數據[18-20]，采用光學影像Google Earth/高分衛星和實地考察數據進行調研、分析。技術路線如圖2所示。

采用20景SAR影像，以其中1景為主影像，其余影像與其配準進行干涉處理，得到干涉圖。采用數字高程模型（digital elevation model，DEM）數據對干涉圖進行差分干涉處理，得到差分干涉圖。對SAR影像進行輻射定標和配準。采用定標和配準后的SAR影像經過配準生成干涉圖，采用PS-InSAR技術計算得到形變速率累積型變量后分解形變數據，提取形變信息，分析形變原因。

PS-InSAR技術建立在相干性高的永久散射體上，采用多時相數據估計效果更好，可去除大氣效應。PS-InSAR采用單一主影像，即選擇1幅影像作為主影像，其他影像配準至主影像空間，篩選穩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行建模和解算。差分干涉相位模型為：

φPS=φdef+φflat+φtopo+φatm+φn，

式中：φPS為干涉像對生成的干涉相位總量；φdef為地面沉降引起的方向形變相位；φflat為參考橢球引起的相位分量；φtopo為地形引起的相位分量，可采用數字高程模型數據去除；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?環翠區地面沉降規律分析

3.1?地表沉降分布

沉降大于10 mm 的Getis-ord Gi*熱點、聚類和異常值如圖3所示。由圖3可知：威海市環翠區年沉降大于10 mm的區域主要分布在北部的沖積-海積平原工程地質區。沿海地帶及河流入海口主要由沖積物和海積物等堆積物組成，厚度小于10 m，局部較厚。該地區是居民主要聚居區，徐家疃街道辦事處、怡園街道辦事處的遠遙碼頭、碧海莊園、隆御維多利亞等地沉降點密集，沉降均較大。丘陵地帶的變質巖主要巖性為片麻巖，演示具片麻狀構造，力學性質好，質地堅硬、較致密，抗水性強，透水性弱，且丘陵地區人工工程較少，此區域地表沉降較小或無沉降，如中部丘陵地區的佛頂、里口山、仙姑頂等區域。經聚類和異常值分析，沉降大于10 mm的沉降點高值主要分布在張村鎮、溫泉鎮、羊亭鎮、崗山鎮、皇冠街道辦事處等處。

3.2?地表沉降與建筑物高度關系

注：帶**數據小于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行回歸分析，如表1所示。

由表1可知：地表沉降的回歸系數為0.154，T統計的地表沉降為4.074，概率P=0.000 05，說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的沉降點分布如圖4所示。由圖4可知，沉降較大區域主要集中在環翠區北部。地基沉降時，高層建筑易出現傾斜或產生裂縫等，嚴重時可能導致建筑物倒塌。

3.3?典型沉降點監測分析

選取下墊面具有典型代表性的遠遙碼頭、雨潤城售樓處、環海路、森林地區等4個沉降大于10 mm的研究點，沉降變化如圖5所示。4個研究點的沉降均增大，擬合曲線的相關性大于0.840 0，沉降的下降趨勢由大到小依次為森林地區、遠遙碼頭、環海路、雨潤城售樓處，沉降與時間的關系曲線不是單邊下行光滑曲線。遠遙碼頭沉降較大，最大接近40.00 mm，由2019-06-12的基準0持續降至2020-01-26的18.84 mm后，穩定在20.00 mm；雨潤城售樓處和環海路的沉降點發展情況相同，即相對于其他2處沉降點，總體沉降小，但變化較大。森林地區整體沉降變化較小，個別地方沉降較大。

3.4?鐵路沉降和公路沉降分析

環翠區重點鐵路和公路的沉降分布如圖6所示。

威海市環翠區內鐵路和公路的沉降由北向南階梯減小，與巖土工程地質分區情況相符，即分布于沿海地帶，呈帶狀展布，區面寬 500～3 000 m，地面平坦的無軟土分布工程地質區的沉降較大，區域分布較廣的丘陵工程地質區的沉降較小。

桃威、青榮城際鐵路沉降大于10 mm的沉降點較少，分布較分散。在張村河—貔子窩進入隧道前沉降為5～6 mm，在以質地堅硬的花崗巖為主的佛頂山附近，因鐵路進入隧道，基本無沉降發生；離開佛頂山區至與繞城路接口處的區間，鐵路沉降為1～4 mm；由此沿鐵路線沉降繼續減小，沉降小于1 mm。威海環翠區公路沉降大于10 mm的點主要分布在環海路，文化西路—環海路半月灣隧道口的沉降超過7 mm，最嚴重的區域為靖子村附近；世昌大道和半月灣隧道—解放路的沉降為5～6 mm；新威路—濱海中路的沉降為4～5 mm，且位于城區的濱海中路的沉降點明顯多于新威路。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?結束語

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

城市地面沉降的主要原因是過度修建高層建筑和過度抽取地下水。因此，需合理利用地下水資源，控制地下水的開采量。可采用人工補給地下水，注入淡水等措施保持地下水位的穩定。在高層建筑的設計和施工中需加固地基，將荷載向土層較深處傳遞，減少對地面沉降的影響。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。在設計和建造高層建筑時，采用輕型結構和輕質建材的建筑物相對不易出現沉降問題，確保建筑物的安全和穩定性。

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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

（責任編輯：王惠）

收稿日期：2023-10-16

基金項目：山東省交通運輸科技計劃項目（2022B106）；泰山產業領軍人才工程項目（tscy 20131229）;山東交通學院博士科研啟動基金項目（BS2021007）

第一作者簡介：黃寶華（1977—），男，吉林臨江人，副教授， 工學博士，主要研究方向為GIS與遙感應用，E-mail： huangbaohua78@126.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.008