InSAR技术的城市建筑形变风险评估
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摘要：针对城市建筑安全问题的现状，该文以杭州市西湖区为试验区，以2016—2019年42期3 m分辨率的COSMO-SkyMed卫星影像为数据源，利用PSP-InSAR技术开展城市建筑物的形变监测，获取试验区的地表形变信息。结合InSAR形变监测结果和城市建筑矢量数据，开展大范围建筑物的安全风险监测及评估。评估结果表明：该研究区共有建筑5 878栋，其中D级建筑134栋，多个小区建筑存在明显安全隐患。利用PSP-InSAR技术进行建筑形变监测及风险评估，能够大面积、快速了解城市中建筑物的安全状态，为相关部门进行建筑安全管理和建筑安全的外业核查提供技术支持和依据，可为InSAR技术服务城市安全建设起到良好示范作用，具有重要的应用推广价值和广阔的应用前景。
关键词：PSP-InSAR；城市建筑物；风险评估；形变监测；地面沉降
引言
我国城镇化率从1978年的18%持续上升至2019年的60.6%[1]，每年新增建筑量占世界总量的一半[2]，随之而来的建筑安全风险隐患日趋严重，特别是建筑地基基础沉降、地面不均匀沉降等现象不胜枚举，建筑墙体开裂、坍塌、楼体倾斜等现象频发，对社会经济和人民生命财产安全的可持续发展带来巨大影响。建筑物风险评估能够发现每个建筑物的安全状态，分析影响建筑物安全性的可能因素，减少或避免灾害发生。
合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar, InSAR）技术具有以下特点：在空间维，一般能够在建筑物至少两个墙面获得多个永久散射体（permanent scatterer，PS）点；在时间维，在影像数量足够的情况下能够获得较长时间段内建筑物的形变信息。InSAR已成为大面积评估大量建筑物和基础设施稳定性的研究热点，特别是永久散射体干涉测量（permanent scatterer interferometry, PSI）技术[3- 4]及在此基础上改进的StaMPS(stanfordmethod for persistent scatterers)[5]、QPS (QUASIpersistent scatterer interferometric synthetic aperture radar)[6]、Squee-SAR[7]、PSP-InSAR (persistent scatterer pair-interferometricsynthetic aperture radar)[8]等可高精度、大范围地监测建筑物和基础设施的形变信息，能够有效减少或减轻外业工作的强度和压力。
近年来，人们利用InSAR技术在建筑物和基础设施监测中的应用进行了大量的研究，如在建筑物季节性热变形方面的研究[9-10]；使用PS点的形变速率来探测城市化和文化遗产地的位移，以及监测单一的城市基础设施[11-14]；考虑施工特征和岩土地基性质，分析沉降引起的建筑物的损害程度[15-18]。本文基于PSP-InSAR技术快速提取所需建筑物的形变信息，在此基础上完成对研究区建筑物的风险评估，为相关部门进行建筑安全管理和建筑安全的外业核查提供技术支持和依据。
1.PSP-InSAR技术原理
PS-InSAR技术是利用去除地形相位后的差分干涉相位来获取地表的形变信息。一般地，PS-InSAR技术在去除地形相位后的差分干涉相位由式（1）表示。
式中：φdef表示由地表形变的相位；Δφtopo表示由于外部DEM不精确引入的误差相位；Δφatmo表示大气相位；Δφorbit表示由卫星定轨误差而引入的相位；Δφnoise表示由时间去相关等其他未建模因素引入的噪声相位。
PSP-InSAR技术是在PS-InSAR技术的基础上发展而来的，处理流程如图1所示。其核心思想是在识别PS点的同时分析PS点，且只利用点对（弧段）之间的信息，估计PS点对之间的相对形变速率和相对高程差，并迭代建立PSP网络，可以确保解缠结果的可靠性和准确性。相比PS-InSAR技术，在城市区域的建筑和道路上能够获取密度更大、精度更高的PS点，为单体建筑物的形变分析提供更加丰富和准确的信息。
由于形成PS对的两个PS点距离较近，在干涉相位中的大气相位项Δφatmo和轨道误差相位项Δφorbit基本相同，那么这两个PS点的干涉相位差可以建模为：
2.研究区与数据介绍
2.1 研究区概况
研究区位于杭州市西湖区，区域总面积约22.5 km2，研究区内共获取建筑物矢量框5 878个。
2.2 数据信息
本文以42期3 m分辨率降轨条带模式的COSMO-SkyMed数据作为SAR数据源，数据时间段为2016年12月30日—2019年8月28日，数据极化方式均为HH极化，入射角为29.02°。
3.监测成果
利用PSP-InSAR技术，本文提取了研究区雷达视线向的地表形变信息，共提取到PS点454 963个，每个PS点都包含年平均形变速率、历史形变信息和三维位置信息。研究区2016年12月30日—2019年8月28日的年平均形变速率如图2所示，其中PS点形变值为负（红色），表示该点沿视线向远离雷达，表现为地面沉降；PS点形变值为正（蓝色），表示该点沿视线向靠近雷达，表现为地面抬升。
4.建筑物风险评估
4.1 评估方法
利用InSAR技术进行建筑物风险评估的基本原理是依据PS点的时空信息从时间维度和空间维度出发分别获取影响建筑物稳定的信息[17]，如点对间倾斜率、建筑最大倾斜、倾斜历史曲线、周期性形变和分段线性形变，综合以上检测信息，对建筑物稳定性进行评价。
根据PS点的高程信息将PS点分为建筑墙基点和建筑墙面点，分别计算墙基和上部结构中PS点的累计形变量和近期形变速率，获取建筑不均匀沉降信息。不均匀沉降Δd是两个收敛点之间垂直形变分量的差值，用式（3）计算。
式中：dA,LOS和dB,LOS分为监测时间段内A、B两收敛点视线向形变测量值；θinc为卫星入射角。假设两收敛点之间的距离为L，PS点之间垂直向的形变差为Δd，则建筑物因发生不均匀形变而造成的建筑物倾斜角度，用表示，其计算方法如下：
此处需要注意用于计算建筑物倾斜角度的两个点必须是位于建筑物相近高度的两个点。实际上，建筑物屋顶上和地基上的形变并不完全相同，即使是稳定的建筑物，也可能存在差别。
根据相关国家标准[19]对房屋稳定性进行评估，分别针对地基沉降风险、地基倾斜风险、上部结构沉降风险和上部结构倾斜风险开展评估，以4项评估的最高风险等级作为建筑物的最终风险评估结果。
4.2 评估结果
研究区评估结果如图3所示，该评估结果共将建筑物分为4个等级：A级表示建筑物安全；B级表示建筑物处于不稳定状态；C级表示建筑物值得关注；D级表示建筑物需要重点关注。除此之外，还有一部分建筑由于雷达照射方向或其他建筑物的遮挡或监测期间正在建设的影响未能监测到PS点，这类建筑物被识别为0级，一般用白色显示。此次评估结果表明，研究区内共有建筑5 878栋，有134栋需要重点关注。研究区内多个小区整体存在明显形变，需要加以关注，如益乐新村北区、古荡湾新村、湖畔花园、骆家庄东苑小区等。杭州地铁2号线的古翠路站至学院路站之间以及学院路至教工路之间线路两侧的房屋形变相对其他区域更为严重，值得重点关注。
选取某建筑（图3中蓝色框所示）进行风险评估及分析，该建筑形变指标信息如表1所示，该建筑上部结构稳定，但地基最大累计沉降量为-64.20 mm，累积沉降风险等级为D；地基近期形变速率为-1.90mm/月，近期沉降风险等级为B；地基累积倾斜率为1.42‰，累积倾斜风险等级为B；近期倾斜率为0.05‰/月，近期倾斜风险等级为A。该建筑物最终评估风险等级为D，存在安全隐患，需要重点关注。
5.结束语
利用InSAR技术虽然能够获取建筑物的安全风险评估结果，但那只是对InSAR形变监测结果的数据分析，最终确定建筑物的安全状态还需要和实地的勘察结果进行综合分析研究，这也是InSAR技术应用和发展不可缺少的一个部分。
作者简介：金艳（1982—），女，浙江嵊州人，高级工程师，博士，主要研究方向为地理国情监测。
E-mail：xiaoya@zju.edu.cn
基金项目：浙江省科技厅课题项目（LGF18D010004）
引用格式：金艳,高晓雄,胡琼,贾智慧.InSAR技术的城市建筑形变风险评估[J].测绘科学,2021,46(10):76-79，107.
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