应用高分辨率PS-InSAR技术监测上海动迁房歪斜形变

秦晓琼，廖明生，杨梦诗，王寒梅，杨天亮

(1. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079； 2. 国土资源部地面沉降与防治重点实验室，上海 200072； 3. 上海市地质调查研究院，上海 200072)



应用高分辨率PS-InSAR技术监测上海动迁房歪斜形变

秦晓琼1，廖明生1，杨梦诗1，王寒梅2,3，杨天亮2,3

(1. 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室，湖北 武汉 430079； 2. 国土资源部地面沉降与防治重点实验室，上海 200072； 3. 上海市地质调查研究院，上海 200072)

摘要：地面沉降是一种地面标高缓慢降低的环境地质灾害，严重的不均匀沉降会造成地表建筑物的破坏甚至垮塌。针对上海川沙镇心圆西苑小区“动迁房歪斜”事件，本文处理分析了2013—2014年上海主城区和浦东区的26景TerraSAR-X影像，并对沉降格局及其驱动因素进行了详细的时空分析。在空间上，发现心圆西苑小区整体存在不均匀沉降，且发生歪斜的动迁房处沉降最为集中；在时间上，发现动迁房处PS点的沉降时间序列曲线与温度变化趋势存在一定的相关性；并对比主城区和浦东区的沉降结果进行了交叉验证，证实了结果的可靠性。表明动迁房的歪斜形变与其自身的结构形变、长期的地面荷载不均衡和地下基础工程施工建设造成的差异沉降密切相关，进一步说明了高分辨率InSAR技术在城市建筑物的形变监测、管理维护和预警方面均有广阔的应用前景。

关键词：PS-InSAR；建筑物形变；高分辨率SAR影像；时间序列分析

在自然和人类活动的共同影响下，近年来城市地面沉降问题日益突出[1-2]，严重的不均匀沉降会造成地表建筑物的破坏甚至垮塌。受地面沉降灾害的影响，上海已发生了多起房屋倒塌、歪斜事件，造成了严重的伤亡和损失。如2009年闵行莲花河畔景苑一栋楼房整体卧倒，2012年浦江镇一栋4层楼房部分坍塌，2014年川沙镇心圆西苑小区两栋15层动迁房明显歪斜，这都对居民的人身和财产安全造成了极大的安全隐患。

随着城市的发展，利用遥感影像进行城市建筑物的提取和监测成为遥感领域的热点和难点[3-4]。PS-InSAR技术是一种允许远程监测地表形变的技术，具有大范围、高精度、动态监测等优势，已经在地表沉降监测方面取得了许多重要的研究成果[5-6]。同时，高分辨率X波段SAR数据使得PS-InSAR技术不仅可以应用于局部地表沉降的精细测量[7-9]，还可以监测到更多的形变细节，这对于确保城市建筑物的安全十分重要。针对2014年上海川沙镇心圆西苑小区“动迁房歪斜”事件，本文对该区域进行时间序列PS-InSAR地面沉降精细测量，并从空间和时间角度分析歪斜形变情况及其驱动因素，表明动迁房的歪斜与其自身的结构形变、长期的地面荷载不均衡及地下浅层基础工程施工建设造成的差异沉降密切相关。

一、PS-InSAR形变监测算法

PS-InSAR技术统计分析同一地区SAR影像集的相位和幅度信息，查找不受时间、空间和大气去相干影响的PS点，在PS点上建立相位模型，利用多景干涉图的相位构成方程组并迭代求解，获取毫米级的地表沉降场。高分辨率X波段SAR数据使得PS-InSAR技术可以持续监测到大型单体建筑物的形变细节，为川沙镇动迁房的形变监测提供了很好的技术支持。

本次试验的主要处理流程包括：时序差分干涉图生成、PS点的初选、心圆西苑PS点精选和形变量的解算[6]。

1. 时序差分干涉图生成

这里引入总体相干性系数选择主影像，由时间、空间、多普勒热噪声相干性组成，如式(1)所示，得到最优的干涉组合，通过干涉处理得到干涉图集，再利用外部SRTM初步去除地形相位，得到时序差分干涉图集。

ρtotal=ρtemporal·ρspatial·ρdoppler·ρthermal≈

(1)

2. PS点的初选

在散射特性方面，上海地区的建筑物、大型人工地物可以构成二面角、三面角等稳定的强散射，并表现为高相干点目标，便于时间序列InSAR技术的应用。本文利用Ferretti等提出的SAR幅度离散指数的方法进行PS点的初选，用幅度的稳定性近似表达相位的稳定性。

3. 心圆西苑PS点精选

得到PS候选集后，对川沙镇心圆西苑小区进行进一步精细化处理。采用振幅离差和时间相干性双重阈值提取PS点，在振幅离差探测基础上，估计目标点时间序列上的信息，用时间相干系数提取满足要求的PS点，提高估算精度。时间相干系数γ是干涉图数目和像元时间序列相位的函数，定义为

(2)

完成振幅离差、时间相干系数双重阈值提取后，要针对川沙镇心圆西苑小区进行PS点的精选。首先，根据对实际情况和修正后所得高程值的具体分析，设定合理的高程阈值，剔除不关心的点目标，筛选出感兴趣的点目标；然后，设定合理的相干性阈值，进一步精选出建筑物上稳定的点目标，确保结果的可靠性。

4. 形变量的解算

从差分干涉相位中应用最小二乘方法估计，去除每个PS点的线性形变增量和DEM误差，并进行三维时空解缠，利用时空滤波方法去除大气相位，得到PS点的形变速率和高程，将其垂直于地面进行投影，得到地面沉降速率。

二、试验区概况及试验数据

20世纪以来，上海地面沉降问题很突出，已成为上海主要的地质灾害之一[10]。浦东新区是上海新发展的区域，又是典型的软土地基地区，地面差异沉降会造成地基下沉，破坏建筑物原有的应力平衡，危害城市公共安全。2014年上海川沙镇心圆西苑两栋15层动迁房发生明显歪斜，楼顶靠拢成“∧”形，楼底部墙根与地基之间出现裂缝，燃气管道弯折，给居民的生活造成了极大的安全隐患。

本次试验处理了2013—2014年间上海主城区和浦东区一共26景TerraSAR-X影像，其中上海主城区(左边深灰色标记区)和浦东区(右边浅灰色标记区)对应的覆盖范围如图1所示，黑色方框为川沙镇地区，它处于主城区和浦东区的重叠部分，黑色五角星代表心圆西苑小区。虽然该地区缺乏水准数据验证，但上海整体的沉降结果已得到水准数据的精确验证，且对比主城区和浦东区的沉降结果，可以形成交叉验证，证实了结果的可靠性。

图1　TerraSAR-X影像的覆盖范围

三、川沙镇动迁房歪斜沉降时空分析

1. 沉降空间格局分析

图2和图3分别为主城区和浦东区内川沙镇的沉降速率分布图，可以看出相干点目标主要分布在人工地物上，与实际情况相符。图中白色圆圈的面积大小代表沉降速率的大小，圆圈面积越大表示沉降速率越大。左下角黑色虚线框内为心圆西苑小区，大部分点都存在-4～4 mm/a的小幅波动，两幅图中黑色实线框内为发生明显歪斜的两栋动迁房的位置，内部白色圆圈面积较大，表明沉降速率明显略大于周围区域，约为-12～-8 mm/a。

进一步把心圆西苑小区内的PS点叠加到Google Earth上，如图4和图5所示，其沉降速率由从白到黑的不同颜色圆圈表示，颜色越深代表沉降速率越大。由于心圆西苑小区自2010年破土动工以来，长期受到地面上下基础工程施工带来的动荷载和不断增加的地面静荷载影响，地基稳定性逐渐遭到破坏，造成了整个小区的不均匀沉降，沉降速率主要分布在-12～8 mm/a之间，密集的高层建筑对地面产生相互叠加的荷载效应，地面浅层一些大型设施的基础工程施工相对频繁，加快了地面下沉，这对于软土地基尤为明显[10]。

图2　主城区川沙镇沉降速率分布图

图3　浦东区川沙镇沉降速率分布图

图4和图5中黑框内为川沙镇心圆西苑小区发生明显歪斜的动迁房，可以看出，在两边覆盖区域中它们都是整个小区内点的颜色最深的区域，即沉降最为集中的区域，沉降速率较大，周边基本没有抬升的点，约-8 mm/a左右。还可以看到发生歪斜的17、18两栋居民楼在建设时，为了绕开北面锦川路的弯道，采用了折形布局，形状类似于打开的书本，南北间距不一样，北面间距达到2 m，南面间距仅12 cm，且楼顶都设计了装饰，外表有一定凸起，两个房檐基本是靠在一起的。

图4　主城区心圆西苑沉降速率分布图

图5　浦东区心圆西苑沉降速率分布图

2. 沉降时间序列分析

利用中国气象科学数据共享服务网公布的数据获取当天的平均温度与动迁房处PS点的沉降时间序列进行相关性分析，如图6和图7所示。其中黑色实线代表平均温度，灰色虚线代表不同PS点形变时间序列，黑色虚线代表PS变化的趋势线。对比主城区和浦东区的沉降结果，发现它们保持了很好的一致性，沉降速率都在-8 mm/a左右，可以形成交叉验证，且与空间观测的结果一致，证实了结果的可靠性。

图6　主城区PS沉降时间序列曲线

图7　浦东区PS沉降时间序列曲线

图6和图7中PS点的时间序列变化曲线虽然存在一些轻微的上下震荡，但整体都表现出近似线性的下沉变化，且两边的沉降变化趋势非常吻合，前期下沉速度较快，中期略微平缓甚至微量抬升，后期又有加速下沉的趋势。这是由于建筑物多采用钢筋混凝土架构，温度对混凝土的强度和变形性能有较大影响。前期2013年9月至2014年5月温度下降过程中，建筑材料随温度发生收缩，下沉速率较快；7、8月温度升高时，钢筋混凝土结构的强度与刚度随温度升高显著下降，容易发生膨胀，下沉速率减缓，甚至出现微量抬升；最后随温度的下降继续加速下沉[11]。沉降量和温度的变化规律表明，建筑材料随温度的热胀冷缩效应与PS点的沉降时间序列曲线在时间上表现出一定的相关性，说明温度的变化会对建筑物的形变产生一定的影响。

3. 动迁房歪斜形变原因分析

综合上述对沉降空间格局和时间序列的分析，受地面不均匀沉降影响，建筑物的歪斜变形和附加应力分布十分复杂，与建筑物的空间结构、建筑材料、地基性质、地下施工情况、所处位置等多种因素相关。

从内部看，这两栋楼具有特殊的折形空间布局，南北两边间距不一样，竣工时南边的两个檐口就碰在一起，它本身的形态构造、设计规范、材料和施工差异造成建筑物本身荷载的分布不均衡，使自身产生不均匀形变，且向上积累[11]。另外，工后的自然沉降及建筑物受温度变化产生的热胀冷缩效应，会导致楼顶本来就碰在一起的房檐之间产生挤压变形，形成裂缝并发生歪斜。

从外部看，由于两栋楼具有特殊的折形布局，竣工后两楼中间的地面受到相对集中的建筑物静荷载作用，因此，底部地基荷载长期不均衡。另外，两栋楼中间的地下浅层中大型设施的基础工程施工较为频繁，受到基坑开挖及工程降水的影响，不可避免地扰动土体并逐渐破坏原有的应力平衡，且动荷载造成的沉降会比静荷增加更明显[12]，因此，地面会产生差异沉降，两栋楼的中间区域成为地面动静荷载最集中的位置，且地基性质为软土地基，沉降最为集中且沉降速率较大，导致建筑容易向中间倾倒，因此，楼顶本来就相互接触的檐口很容易发生挤压碰撞，出现裂缝和歪斜现象。

图8为川沙镇动迁房歪斜形变的现场情况，分析表明这些现象与建筑物自身的结构形变、长期的地面沉降差异和地面浅部相对频繁的工程施工均密切相关。虽然观测到的一年的沉降量并不是很大，但是长期的地面不均匀沉降引起的地表累积差异沉降量会对地表建筑物造成很大的安全隐患值得引起注意。

图8　两栋楼房歪倒倾斜现场情况

四、结束语

高分辨率PS-InSAR技术是进行建筑物形变监测的有效方法之一。2014年浦东川沙镇心圆西苑小区发生了动迁房歪斜形变，导致墙根与地基开裂，燃气管弯折，给居民的生活造成了极大的安全隐患。本文对上海主城区和浦东区的TerraSAR-X影像进行了地面沉降精细测量，并着重对动迁房的歪斜形变及其驱动因素进行了详细的时空分析。在空间上，发现心圆西苑小区整体存在-12～8 mm/a不均匀沉降和抬升，其中北边发生歪斜的动迁房沉降最为集中，且沉降速率较大，约-10～-8 mm/a；在时间上，对动迁房处PS点的沉降时间序列曲线与温度变化趋势进行相关性分析，发现温度变化对建筑物形变有一定影响，并对比两边的试验结果形成交叉验证，证实了结果的可靠性。表明动迁房歪斜事件与其自身的结构形变、长期的地面荷载不均衡和地下浅层基础工程施工建设造成的差异沉降密切相关。

高分辨率PS-InSAR可以应用于城市建筑物的沉降监测，并达到毫米级的监测精度，开展定期的城市沉降监测对于城市建筑物形变监测、管理维护和预警具有重要意义。

致谢：本文采用的时间序列TerraSAR-X数据由德国宇航院提供(项目编号：COA1755，GEO0606)，并由上海地质调查研究院协助进行了精度验证，一并表示感谢。

参考文献：

[1]裴媛媛,廖明生,王寒梅.利用时序DInSAR监测填海造陆地区地表沉降[J].武汉大学学报(信息科学版),2012, 37(9):1092-1095.

[2]郑佳荣,宫力辉,李青元,等.基于PS-InSAR的2003-2009年北京平原区沉降控制因素分析[J].测绘通报,2014(12):40-43.

[3]张学东,葛大庆,肖斌,等.多轨道集成PS-InSAR监测高速公路沿线地面沉降研究——以京沪高速公路(北京—河北) 为例[J].测绘通报,2014(10): 67-69.

[4]吴文豪.利用雷达干涉时序分析方法研究地面沉降[J].测绘通报,2014(11):11-15.

[5]裴媛媛,廖明生,王寒梅.时间序列SAR影像监测堤坝形变研究[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2013, 38(3): 266-269.

[6]廖明生,王腾. 时间序列InSAR技术与应用[M].北京：科学出版社，2014.

[7]ANDREWH,DAVIDB,KARSTENS,etal.RecentAdvancesinSARInterferometryTimeSeriesAnalysisforMeasuringCrustalDeformation[J].Tectonophysics, 2012, 51(4):1-13.

[8]杨梦诗,蒋亚楠,廖明生,等.基于高分辨率SAR影像的上海临港新城沉降格局分析[J].上海国土资源,2013,34(4):12-16.

[9]SHIXG,LIAOMS,WANGT,etal.ExpresswayDeformationMappingUsingHigh-resolutionTerraSAR-XImages[J].RemoteSensingLetters, 2014, 5(2):194-203.

[10]龚士良.上海城市建设对地面沉降的影响[J].中国地质灾害与防治学报,1998,9(2):108-111.

[11]CROSETTOM,MONSERRATO,LGLESIASR,etal.PersistentScattererInterferometry:Potential,LimitsandInitialC-andX-bandComparison[J].PhotogrammetricEngineering&RemoteSensing, 2010,76(9):1061-1069.

[12]冯云德.建筑物沉降观测技术方法探讨[J].北京测绘,2009(4)：88-90.

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

基金项目：国家自然科学基金(61331016)

作者简介：秦晓琼(1991—)，女，博士生，主要从事时间序列InSAR技术地表沉降的监测和分析研究。E-mail：qinxaioqiong@whu.edu.cn

中图分类号：P237

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)06-0018-04

引文格式: 秦晓琼，廖明生，杨梦诗，等． 应用高分辨率PS-InSAR 技术监测上海动迁房歪斜形变[J]． 测绘通报，2016( 6) : 18-21． DOI: 10． 13474 /j． cnki． 11-2246． 2016． 0181．