基于PS-InSAR的建筑及道路动态沉降安全监测

黄宝华 周利霞 孔祥侨

摘要：为研究建筑及道路的动态沉降，采用覆盖威海市环翠区的20景哨兵（Sentinel-1）干涉雷达测量（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）数据，采用时间序列永久散射体合成孔径雷达干涉测量（persistent scatterer InSAR，PS-InSAR）技术提取该区域地表不同构筑物沉降点，对环翠区地表建筑物和道路沉降进行动态监测。结果表明：环翠区建筑物高度与沉降正相关；铁路和公路的沉降由北向南依次减小，在山区等人为干扰少、地质条件较好的地区，基本不发生沉降；威海市环翠区年沉降量大于10 mm的点主要分布在冲积-海积物等堆积的北部地区，并集中在码头、建筑区等人工工程地区。北部地区沉降量大的主要原因是环翠区地层较松散，含水量较高，易发生沉降；该地区人工工程相对较多，对地下土体施加压力，导致土层沉降。分析InSAR数据能较好地监测大范围地表沉降情况，为地表沉降治理和决策提供支持。

关键词：InSAR；动态地表沉降；PS-InSAR；建筑物高度

中图分类号：U412.24;X959;P237文献标志码：A文章编号：1672-0032（2024）02-0053-07

引用格式：黄宝华，周利霞，孔祥侨.基于PS-InSAR的建筑及道路动态沉降安全监测［J］.山东交通学院学报，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

地面沉降是地质环境系统破坏引发的地质灾害，易引发其他环境灾害，导致地面坍塌、建筑物倾斜或墙体开裂、倒塌、交通轨道变形等，沿海地区的地面沉降会导致海水倒灌，引起土壤和地下水的盐碱化[1-2]。地下资源，尤其是过度开采地下水是地面沉降的主要原因。近年来，随城市建设的快速发展，地表土层过度开发利用，建筑物的钢筋混凝土静荷载、交通网络形成的动载荷急剧变化，在一定程度上影响局部的地面沉降[3-4]。我国超过20个省份受地面沉降影响，每年的经济损失高达数百亿元[5]。合理监测地表沉降，分析沉降的发展趋势，可提前预警，保障建筑物和道路安全[6-8]。大中型城市覆盖范围广，地质地形复杂。在建筑物和道路上布设水准点监测地表沉降的传统方式无法实施大面积监测，且时效性较差[9-11]。主动遥感的合成孔径雷达技术具有非接触性、高精度、监测面积大、实时响应和数据丰富等优点，时间序列合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）应用广泛[12-13]。Ferretti等[14]将永久散射体合成孔径雷达干涉测量（persistent scatterer InSAR，PS-InSAR）引入振幅离差，提取时间序列上的稳定永久散射体点，监测精度可达mm级。张君怡等[15]认为PS-InSAR地面沉降技术较经济，监测效果较好。秦晓琼等[16]应用高分辨率PS-InSAR技术监测上海动迁房歪斜形变，监测结果准确度较高。蒋亚楠等[17]采用时间序列干涉测量方法监测上海磁悬浮列车专线的形变。已有文献中监测建筑物和道路的沉降，并分析其与建筑物高度、荷载等相关性的研究较少。

本文根据覆盖威海市的20景哨兵影像数据，采用PS-InSAR技术监测威海市建筑物和道路的沉降，并外业核查验证建筑物和道路的沉降风险，保障建筑安全和道路的可持续运营。

1 研究区概况和使用数据

1.1 研究区概况

环翠区位于威海市中心城区，下辖5个街道和4个镇，截至2023年底，常住人口为47.86万人。环翠区地处北纬37°15′～37°34′，东经121°51′～122°24′，南北纵向距离为28 km，东西横向距离为29 km。总面积为387.39 km2，平均海拔70～100 m，为低山丘陵区，中部和东南部高，平原低地地势较平缓，低山平原低地和丘陵相间分布。大陆海岸线长约43 km，区境内海岸线东起茅子草河口中心，西至与烟台市牟平区交界处。海岸线蜿蜒曲折，岬湾交错，滩涂广阔，多为天然良港和天然海水浴场。岬角地带坡陡水深，20 m等深线靠近岸边，地形复杂，景观多样。环翠区自然地理分布如图1所示。

1.2 采用数据

哨兵1号（Sentinel-1）卫星是欧洲航天局哥白尼计划中的地球观测卫星，由2颗卫星组成，载有C波段合成孔径雷达。采用哨兵1号的数据覆盖威海市环翠区，每月1期，共取20景数据，数据获取日期分别为： 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。处理PS-InSAR数据时，以2019-02-10的影像为主影像，共形成19个干涉对。其他数据为中国10 m分辨率建筑物高度数据、环翠区行政区划数据、1∶100万基础地理信息数据、高清卫星数据等。选择桃威铁路、青荣城际铁路作为铁路沉降研究区，选择威海—石岛（S201）、威海—青岛（S202）、威海—即墨（SS203）、石岛—烟台（S301）、威海绕城（S709）、威海环海路（S704）、成山卫—龙口（S302）、荣成—乌海高速（G18）等8条公路作为公路沉降研究区。

2 理论方法

采用PS-InSAR技术提取形变数据[18-20]，采用光学影像Google Earth/高分卫星和实地考察数据进行调研、分析。技术路线如图2所示。

采用20景SAR影像，以其中1景为主影像，其余影像与其配准进行干涉处理，得到干涉图。采用数字高程模型（digital elevation model，DEM）数据对干涉图进行差分干涉处理，得到差分干涉图。对SAR影像进行辐射定标和配准。采用定标和配准后的SAR影像经过配准生成干涉图，采用PS-InSAR技术计算得到形变速率累积型变量后分解形变数据，提取形变信息，分析形变原因。

PS-InSAR技术建立在相干性高的永久散射体上，采用多时相数据估计效果更好，可去除大气效应。PS-InSAR采用单一主影像，即选择1幅影像作为主影像，其他影像配准至主影像空间，筛选稳定幅度和相位的永久性散射体，采用永久性散射体的相位特性进行建模和解算。差分干涉相位模型为：

φPS=φdef+φflat+φtopo+φatm+φn，

式中：φPS为干涉像对生成的干涉相位总量；φdef为地面沉降引起的方向形变相位；φflat为参考椭球引起的相位分量；φtopo为地形引起的相位分量，可采用数字高程模型数据去除；φatm为大气延迟引起的延迟相位；φn为大气延迟引起的噪声相位。

3 环翠区地面沉降规律分析

3.1 地表沉降分布

沉降大于10 mm 的Getis-ord Gi*热点、聚类和异常值如图3所示。由图3可知：威海市环翠区年沉降大于10 mm的区域主要分布在北部的冲积-海积平原工程地质区。沿海地带及河流入海口主要由冲积物和海积物等堆积物组成，厚度小于10 m，局部较厚。该地区是居民主要聚居区，徐家疃街道办事处、怡园街道办事处的远遥码头、碧海庄园、隆御维多利亚等地沉降点密集，沉降均较大。丘陵地带的变质岩主要岩性为片麻岩，演示具片麻状构造，力学性质好，质地坚硬、较致密，抗水性强，透水性弱，且丘陵地区人工工程较少，此区域地表沉降较小或无沉降，如中部丘陵地区的佛顶、里口山、仙姑顶等区域。经聚类和异常值分析，沉降大于10 mm的沉降点高值主要分布在张村镇、温泉镇、羊亭镇、岗山镇、皇冠街道办事处等处。

3.2 地表沉降与建筑物高度关系

注：带**数据小于0.001。

将受建筑物高度影响的地表沉降作为影响因素，采用最小二乘线性回归模型进行回归分析，如表1所示。

由表1可知：地表沉降的回归系数为0.154，T统计的地表沉降为4.074，概率P=0.000 05，说明该最小二乘线性回归模型显著，建筑物高度与沉降成正比，建筑物越高，荷载越大，沉降越大。

建筑物的地基类型、地下水位等因素也影响沉降，建筑物高度和沉降大于10 mm的沉降点分布如图4所示。由图4可知，沉降较大区域主要集中在环翠区北部。地基沉降时，高层建筑易出现倾斜或产生裂缝等，严重时可能导致建筑物倒塌。

3.3 典型沉降点监测分析

选取下垫面具有典型代表性的远遥码头、雨润城售楼处、环海路、森林地区等4个沉降大于10 mm的研究点，沉降变化如图5所示。4个研究点的沉降均增大，拟合曲线的相关性大于0.840 0，沉降的下降趋势由大到小依次为森林地区、远遥码头、环海路、雨润城售楼处，沉降与时间的关系曲线不是单边下行光滑曲线。远遥码头沉降较大，最大接近40.00 mm，由2019-06-12的基准0持续降至2020-01-26的18.84 mm后，稳定在20.00 mm；雨润城售楼处和环海路的沉降点发展情况相同，即相对于其他2处沉降点，总体沉降小，但变化较大。森林地区整体沉降变化较小，个别地方沉降较大。

3.4 铁路沉降和公路沉降分析

环翠区重点铁路和公路的沉降分布如图6所示。

威海市环翠区内铁路和公路的沉降由北向南阶梯减小，与岩土工程地质分区情况相符，即分布于沿海地带，呈带状展布，区面宽 500～3 000 m，地面平坦的无软土分布工程地质区的沉降较大，区域分布较广的丘陵工程地质区的沉降较小。

桃威、青荣城际铁路沉降大于10 mm的沉降点较少，分布较分散。在张村河—貔子窝进入隧道前沉降为5～6 mm，在以质地坚硬的花岗岩为主的佛顶山附近，因铁路进入隧道，基本无沉降发生；离开佛顶山区至与绕城路接口处的区间，铁路沉降为1～4 mm；由此沿铁路线沉降继续减小，沉降小于1 mm。威海环翠区公路沉降大于10 mm的点主要分布在环海路，文化西路—环海路半月湾隧道口的沉降超过7 mm，最严重的区域为靖子村附近；世昌大道和半月湾隧道—解放路的沉降为5～6 mm；新威路—滨海中路的沉降为4～5 mm，且位于城区的滨海中路的沉降点明显多于新威路。G228至徐家河、崮山大桥、曲阜山体公园一带的沉降为1～2 mm，再往南沉降为0～1 mm。

4 结束语

威海市环翠区年沉降大于10 mm的点主要分布在冲积-海积物等堆积的北部地区，并集中在码头、建筑区等人工工程地区。建筑物的高度与建筑物重量相关，影响建筑物的沉降。铁路和公路的沉降由北向南依次减小，山区等人为干扰少，地质条件好的地区基本不发生沉降。

城市地面沉降的主要原因是过度修建高层建筑和过度抽取地下水。因此，需合理利用地下水资源，控制地下水的开采量。可采用人工补给地下水，注入淡水等措施保持地下水位的稳定。在高层建筑的设计和施工中需加固地基，将荷载向土层较深处传递，减少对地面沉降的影响。容积率也是影响地表沉降的重要因素，在特定容积率下，间距大的高层建筑地基深度大，其影响荷载在深部土层叠加，有利于减小地面沉降。在设计和建造高层建筑时，采用轻型结构和轻质建材的建筑物相对不易出现沉降问题，确保建筑物的安全和稳定性。

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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

（责任编辑：王惠）

收稿日期：2023-10-16

基金项目：山东省交通运输科技计划项目（2022B106）；泰山产业领军人才工程项目（tscy 20131229）;山东交通学院博士科研启动基金项目（BS2021007）

第一作者简介：黄宝华（1977—），男，吉林临江人，副教授， 工学博士，主要研究方向为GIS与遥感应用，E-mail： huangbaohua78@126.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.008