基于PS-InSAR 技术的南京市河西地区建筑物稳定性评估

孙静雯，张琪，吴学雨，马状，逯焕波

（1.南京市测绘勘察研究院股份有限公司，南京210019；2.南京工业大学，南京211816；3.河海大学，南京211100）

1 引言

城市建筑设施是人居环境的重要组成部分，建筑物的结构健康问题直接关系城市环境和社会可持续发展。近年来，由地下水抽取、地下空间开发等引起的地面沉降问题日益严重，造成建筑物结构形变和损毁，甚至造成人员伤亡事故，例如,上海的“楼倒倒”、深圳的“接吻楼”等。因此，如何快速准确地监测城市建筑物形变，合理评估其危害程度是城市基础地质调查、市政建设规划的基础工作。2001 年，Ferretti 等[1]提出基于永久散射体（Permanent Scatterer,PS）的干涉测量技术（PSInSAR）。PS 对应像元的相位序列在长时间内表现稳定，基本不受时间、空间失相干影响，仅对这些点进行时序分析，可以有效分离大气延迟相位，提高形变监测精度，在建筑物形变监测领域应用广泛[2,3]。

南京市河西区域地处长江东岸，河漫滩涂地质，地质环境背景比较复杂。随着经济的迅速发展，城市建设日新月异，工程活动对地质环境产生了巨大的影响，不合理工程活动诱发的地质灾害时有发生。因此，本文利用PS-InSAR 技术反演南京市河西区域地面沉降，并提出一套建筑物稳定性评估体系，对河西区域地表建筑物形变进行监测，并对建筑物的稳定性进行评估和分析。

2 PS-InSAR 数据处理及结果

PS-InSAR 技术利用多幅时序SAR 影像联合解算形变信息，即通过确定一幅公共主影像，选取系列时序影像中反射信号强的稳定参考点作为PS 点，分离形变和大气延迟信息，计算高精度的形变相位信息。

本文利用覆盖河西地区的2012 年6 月12 号至2016 年7月14 号时间段共46 景COSMO-SkyMed 影像，基于PSInSAR 方法，进行形变信息反演。处理流程主要包括：（1）影像配准处理。选取2014 年6 月23 日影像作为主影像，与其他SAR 影像进行干涉处理，得到45 个干涉对（见图1），并进行配准，配准精度需达到1/8pixel。（2）差分干涉处理。对已配准主辅影像进行前置滤波，共轭相乘生成干涉图，并根据外部DEM 数据进一步去除地形相位生成差分干涉相位，逐像元计算生成差分干涉图。（3）PS 点集选取。利用幅度离散指数先快速设立PS 候选点集，结合相位相关系数和信噪比等因子加入迭代运算，提取PS 点差分干涉相位。（4）形变反演。利用PS 点位解缠相位，与形变相位、DEM 误差相位、各种噪声相位等构建相关模型，迭代求解参数，提取PS 点雷达视线方向的平均沉降速率和累计沉降量，并转换为垂直方向。

图1 PS 干涉对时空基线分布图

为了能够直观、清楚地反映河西区域建筑物地面沉降的空间分布趋势，将PS 点与河西建筑物矢量图进行叠加，筛选出63 359 个建筑物PS 点，结果如图2 所示。

图2 河西建筑物沉降分布图

本次InSAR 监测结果显示，河西建筑物沉降主要分布在鼓楼区的江东街道、凤凰街道，建邺区的莫愁湖街道、南苑街道，雨花台区的西善桥街道。监测范围内最大沉降速率为52.3mm/a，沉降量达212.6mm，位于鼓楼区的江东街道。

3 城市建筑物稳定性评估

为进一步监测河西建筑物稳定性状况，提出一套建筑物稳定性评估体系，即在获取InSAR 建筑物形变信息的基础上，依据建筑行业相关规范（GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》、JGJ 125—2016《危险房屋鉴定标准》）和建筑形变监测相关规范（GJ 8—2016《建筑形变测量规范》），结合建筑物最大沉降速率及差异沉降值（独立建筑物最大最小沉降值差值）两类参数，并将其风险分类等级量化为1、2、3、4，利用层次分析法（AHP）[4]确定参数权值，如表1 所示，通过加权计算建筑物稳定性评分值，并引入分类规则，以评估建筑物稳定性（C）[4]。

表1 建筑物稳定性评估因子分级标准

稳定性评估模型如下：

式中，C 为建筑物稳定性评分，K1、K2分别为层次分析法计算得到权值，V 为最大沉降速率风险评估值，D 为差异沉降风险评估值。

图3 河西建筑物稳定性等级分类图

根据稳定性评估模型计算建筑物稳定性评估值，并按风险分类规则进行稳定性分析，结果如图3 所示。河西区域共统计出91 096 栋建筑物，未检测到PS 点的建筑物有79 325 栋，占比87.1%；A 级建筑物为9 806 栋，占比10.7%；B 级建筑物为1 912 栋，占比2.1%；C 级建筑物存在53 栋，占比0.1%；D级建筑物为0 栋。其中：

1）0 级——蓝色，评估值为0，表示该建筑物无PS 点；

2）A 级——绿色，评估值为0～1.5，表示该建筑物安全；

3）B 级——青色，评估值为1.5～2.5，表示该建筑物稳定性一般，值得被关注；

4）C 级——橙色，评估值为2.5～3.5，表示该建筑物较不稳定，需要重点关注；

5）D 级——红色，评估值在4 以上，表示该建筑物极不稳定，需立即进行现场监测。

由稳定性评估体系分析可知，建筑物大部分稳定性评估分值小于3 分，表示河西建筑物基本安全，另外存在53 处较不稳定建筑主要分布在凤凰街道，需要重点关注。

4 结论

本文利用PS-InSAR 技术，获得了2012—2016 年南京河西区域建筑物沉降状况，并结合建筑物稳定性评估模型，对建筑物进行稳定性评估。研究结果表明，河西新城地区重点沉降主要发生在鼓楼区的江东街道及凤凰街道建筑群，建邺区的莫愁湖街道及南苑街道建筑群，雨花台区的西善桥街道建筑群，监测范围内最大沉降速率为52.3mm/a，沉降量达212.6mm，位于鼓楼区的江东街道。另外，建筑稳定性分析表明，河西地区大部分建筑处于稳定状态，符合安全标准；存在53 处建筑评估分值处于不稳定状态，主要分布于凤凰大街，需要相关部门引起重视。