城市建筑物沉降永久散射体干涉雷达监测

兰恒星，刘洪江，孙 铁，贾有良，杨志华，丁尚起，黄晓明

(1. 中国科学院地理科学与资源研究所资源环境信息系统国家重点实验室，北京 100101；2. 天津市天勘滨海工程技术有限公司，天津 300381；3. 天津市测绘院，天津 300381；4.天津市滨海新区水务局，天津 300450)

城市建筑物沉降永久散射体干涉雷达监测

兰恒星1，刘洪江1，孙 铁2，贾有良3，杨志华1，丁尚起4，黄晓明4

(1. 中国科学院地理科学与资源研究所资源环境信息系统国家重点实验室，北京 100101；2. 天津市天勘滨海工程技术有限公司，天津 300381；3. 天津市测绘院，天津 300381；4.天津市滨海新区水务局，天津 300450)

地面沉降对城市建筑物构成巨大威胁，对城市建筑物进行沉降监测具有重要意义．采用德国合成孔径雷达(TerraSAR-X)1,m空间分辨率的雷达影像，使用永久散射体干涉测量(PSI)技术，以天津塘沽渤海石油新村和东沽石油新村为研究区，研究不同类型建筑物(建造时间、层高及地理位置等)的沉降特征．研究结果表明，不同类型建筑物在沉降率和沉降时间过程上具有较强的时空分异性．研究结果可以为天津塘沽滨海新区建筑物沉降风险控制提供科学参考．

建筑物沉降；永久散射体干涉测量(PSI)；TerraSAR-X

地面沉降是由多种原因引起的地表海拔标高缓慢降低的地质现象，主要发生于快速城市化地区，其发生范围广、危害大，作用过程缓慢不易察觉，是世界上大多数城市建设发展均面临的地质灾害问题．而建筑物是城市最为主要的地物覆盖，地面不均匀沉降往往造成墙体开裂、楼板松动、结构倾斜甚至倒塌．因此，对建筑物沉降进行精确监测显得尤为重要．

监测建筑物沉降的传统方法有 GPS、水准监测、观测井和观测桩等[1-3]，这些手段多适合单点建筑物沉降监测，对于城市大规模建筑群沉降监测，由于监测面积大、周期长，传统监测方法显得无能为力，如差分 GPS或水准测量往往仅限于特定的重点建筑，无法进行大规模的监测．而合成孔径雷达差分干涉测量(D-InSAR)可以克服常规监测手段的局限性，方法简单易用，但极易受大气延迟、轨道误差、地表状况和时态不相关等因素影响，如由大气延迟引起的误差有时占到监测值的80%[4-6]．永久散射体干涉测量(permanent scatterers interferometric，PSI)技术是在D-InSAR基础上发展起来的，目前被认为是大范围地物沉降监测极具潜力的研究手段[3]．如意大利采用PSI方法，利用10 m分辨率的ENVISAT数据，对罗马城、Venice海滨城市地面沉降进行了监测[7-8]；希腊采用PSI技术，用ENVISAT数据监测了希腊西部的地表沉降，其监测精度可达1 mm[9-12]．

以往的这些应用受限于合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)数据的空间分辨率，难以对城市建筑物沉降进行精确监测．随着 SAR空间分辨率的不断提高，如德国 TerraSAR-X具有 1,m空间分辨率，相比较低空间分辨率的雷达影像(如RADARSAT和 ENVISAT)，TerraSAR-X影像在地面沉降的监测中展示了更好的精度[13-17]，其影像解析度能够很好地分辨出城市复杂建筑物分布，此外其轨道精度、波段特征等与以前的 SAR相比均有大幅提高，可以更为有效地研究建筑物沉降范围、速率、规模和潜在危害，鉴别不同类别建筑物时空沉降特性．因此，采用PSI技术和高分辨率TerraSAR-X影像数据进行城市建筑物沉降监测具有重要的研究价值[8]．

为了研究PSI技术和高分辨率SAR数据在城市建筑物沉降监测上的应用，笔者以天津塘沽渤海石油新村和东沽石油新村为实验区，进行城市建筑物 PSI沉降监测示范研究，分析区域整体建筑物沉降特征，对比不同类型建筑物沉降特征，监测建筑物不均匀沉降，以揭示建筑物的建造时间、层高及地理、地质环境对建筑物沉降的影响，为塘沽地区建筑物地面沉降风险控制提供科学参考．

1 方 法

1.1 研究区概况

天津塘沽紧邻渤海湾，属中国典型的北方海滨型城市，也是典型的地下水超采城市，是中国受地面沉降灾害威胁最为严重的地区之一．根据观测资料，在1959—2006年的47年间，塘沽地面平均下沉量为2 m，其中上海道与河北路交叉口最大沉降量达到了 3.25 m．由于地面沉降，许多居住区建筑物出现了比周围路基低的“三级跳”现象，地下给排水设施功能减弱，部分区域建筑物甚至倾斜、下陷，稳定性降低[18].

2010年1月11日，国务院正式批准成立了天津滨海新区，它将成为我国继珠三角、长三角之后快速的城市化增长地区，也将是我国第3个大规模区域经济增长区域．其中塘沽是滨海新区的核心功能区，但由于地面沉降问题由来已久，随着大规模建设的展开，建筑物沉降必将成为塘沽城市建设中面临的首要问题[11-12]．

在塘沽，渤海石油新村与东沽石油新村均属于典型的居住-商业型社区，由于地理位置、地质条件的不同，在地面沉降特征上，2个地区具有不同的特点，研究区位置与概况见图1．

图1 研究区概况Fig.1 General map of research area

1.2 数据源

采用德国 TerraSAR-X,1,m空间分辨率雷达影像，根据城市区特征，1,m 空间分辨率可以鉴别出90%以上的地物，因而使得 TerraSAR-X适合复杂地物覆盖的城市区建筑沉降监测．由于TerraSAR-X发射时间短，截止至本研究开始，共有存档数据 11景，时间从 2007-12-29—2008-06-22，全部为上行右视数据，距离向分辨率 0.45,m，方位向分辨率 1,m，研究区TerraSAR-X数据情况见表1．

表1 研究区TerraSAR-X影像Tab.1 TerraSAR-X images of research area

1.3 数据处理方法

塘沽建筑物沉降监测采用PSI数据处理方法，主要处理步骤分为数据准备及输入、永久散射点的选取和质量评估、永久散射点单视复数图像、永久散射点差分干涉、PS回归分析、模型校准、结果验证以及建筑物沉降结果分析等(见图2)．

图2 PSI数据处理流程Fig.2 Flow chart of PSI data processing

数据准备主要包括一系列配准的单视复数数据、相应的轨道参数文件和管理这些数据堆栈的文本文件，另外需要研究区内相应的SRTM 数字高程数据．塘沽TerraSAR的数据堆栈记录为56个，采用了数据组合模式的堆栈构建方式，其中第28个堆栈记录采用了主图像4及从图像4的参考图像对，有利于进行大气延迟相位的计算和去除．

永久散射点(permanent scatterer，PS)的选取是非常关键的一步，根据研究区内建筑物的特性，初始的候选点数为261,074．候选点列表只是初选列表，在对每个候选点的质量进行仔细评估，清除质量差的候选点后，获得最终的永久散射点为40,120个，监测点密度达到2,230点/km2．经过差分干涉、回归分析、去大气效应等后期处理，初步得到研究区PSI沉降监测结果，然后结合研究区内0.4,m高分辨率航空光学影像及雷达影像复合，提取出研究区内建筑物沉降PS监测点．

2 结果及分析

2.1 沉降监测结果

根据天津市控制地面沉降工作办公室的相关文件，将监测结果按照快速沉降(＞50,mm/a)、中速沉降(50～20,mm/a)和慢速沉降(＜20,mm/a)进行分类，渤海石油新村和东沽石油新村建筑物沉降PSI监测结果如图 3所示(高易发代表快速沉降，中易发代表中速沉降，低易发代表慢速沉降)，渤海石油新村共分布 1,712个建筑物监测点，年均沉降率8.9,mm/a，最大沉降率44.2,mm/a，快速沉降区基本没有，总体属于极慢速稳定沉降阶段，西南侧沉降大于东北侧；东沽石油新村共分布 2,205个建筑物监测点，总体属于慢速沉降阶段，年均沉降率 11.6,mm/a，最大沉降率 60.3,mm/a，沉降区主要分布于海河沿岸，东南侧沉降大于西北侧．

从表2可以看出，2个地区的大多数建筑物均处于慢速沉降阶段(年沉降率＜20,mm/a)，慢速沉降总面积达到90%以上，其中渤海石油新村的慢速沉降面积占96%，二者均属于沉降灾害低易发区．

图3 沉降监测结果Fig.3 Subsidence monitoring results

表2 东沽及渤海石油新村建筑物沉降分区对比Tab.2 Comparison between Donggu and Bohai building subsidence

2.2 结果验证

采用对应观测期内的水准点监测资料对建筑物PSI监测结果进行了验证．研究区内，共分布有 3个水准测量点，其中与PSI监测点位置最接近的水准测量点位于东沽石油新村河滨路北侧(UTM坐标 x= 560,956.7，y=4 316,118.1)，其余 2个水准测量点与附近 PSI点相差均较远．水准测量监测表明，2007—2008年该监测点年均沉降率为15.0,mm/a，距其以东1.2,m处的PSI监测点的沉降率为13.7,mm/a，二者相差小于 2,mm．由于可使用的水准点太少，因此对监测结果进行实地验证，图 4为建筑物的实体图．通过与水准测量比较和实地验证，认为PSI监测结果符合实际监测结果，数据处理方法可靠，结果可信．

图4 水准测量点与PS监测点的位置及对应沉降率Fig.4 Location and corresponding subsidence rate for level measuring point and PS monitoring point

2.3 典型建筑物总体沉降特征分析

建筑物沉降灾害主要与楼层高度有关，鉴于此，根据国家标准民用建筑设计通则(GB,50352—2005)及住宅设计规范(GB,50096—1999)，将建筑物按地上层数及高度进行分类划分为低层建筑、中层建筑及高层建筑．选取渤海石油新村各类典型建筑物作沉降特征分析，结果见图5．

图5 渤海石油新村不同类型建筑物沉降率Fig.5 Subsidence rates for different buildings in Bohai district

低层建筑是指楼高为 1～3层的建筑，在塘沽地区主要为厂房、低层办公-商用建筑和工矿仓储用地(分为敞篷堆放场及永久堆放场)．从监测结果来看，研究区内低层建筑物总体沉降率在 10.0,mm/a以上，在建筑物中属于较快速的沉降率．在低层建筑中，厂房类建筑沉降率最小，而堆放场和低层办公商用用地等类型建筑沉降率均较大．

中层建筑是指4～10层的建筑，在研究区内大多数建筑均属中层建筑，年均沉降率为 6.0,mm/a，属于较为稳定的慢速沉降阶段．

高层建筑是指楼高在10层以上且建筑高度小于100,m 的建筑，渤海石油新村高层建筑分布较少，主要分布于闸北路南段西侧，楼层高度 10层左右，年均沉降率3.8,mm/a．

由此可见，建筑物沉降率从小到大依次是：高层建筑、中层建筑和低层建筑；同时，不同类型建筑沉降具有较大差异．

2.4 典型建筑沉降特征对比分析

对研究区内不同区域和不同类型的建筑物沉降特征进行对比分析，主要考察建筑物的年均沉降率和沉降时间过程 2个关键因子．根据总体沉降监测结果及自然地理条件对比较区域进行划分，渤海石油新村划分为西南和东北两块，东沽石油新村划分为沿海河地区和内陆地区．

1) 渤海石油新村不同区域建筑沉降特征对比

图 6是渤海石油新村低、中、高层建筑物在不同区域的沉降过程与特征对比，图中线性拟合斜率代表建筑物沉降率．渤海石油新村建筑物沉降在西南侧与东北侧有较大的差异，除高层建筑外，位于西南侧建筑物的沉降率大于东北侧，总体沉降特征是低层沉降率大、中层建筑次之、高层沉降率小．

图6 渤海石油新村不同区域建筑的沉降过程及沉降特征对比Fig.6 Comparison of subsidence processes and characteristics between buildings of different areas in Bohai district

2) 东沽石油新村不同区域建筑沉降特征对比

图 7是东沽石油新村低、中、高层建筑物在不同区域的沉降过程与特征对比．从图中可以看出：东沽石油新村临近海河及内陆地区有较大差异，低层建筑在内陆与临近海河边的沉降基本为线性沉降(图7(a))，中层建筑沉降特征在东沽地区的区域差异较小，沉降曲线表现为沉降率大体一致性(图 7(b))，高层建筑具有非线性沉降特征，区域差异较大，临近海河地区沉降率远大于内陆地区，其沉降率在 3—5月期间出现波动(图 7(c))；建筑物沉降率从大到小依次是低层、中层及高层．

图7 东沽石油新村不同区域建筑的沉降过程及沉降特征对比Fig.7 Comparison of subsidence processes and characteristics between buildings of different areas in Donggu district

3) 渤海及东沽石油新村建筑沉降特征对比

图 8是渤海石油新村及东沽石油新村不同类型建筑沉降过程与特征对比，从图中可以看出，东沽石油新村各类建筑物沉降率均大于渤海石油新村．低层建筑的沉降差异最大，截止到研究期，两者相差达5.0,mm；从中层建筑看，东沽石油新村中层建筑平均沉降率为 14.6,mm/a．渤海石油新村沉降率远小于东沽石油新村；与低、中层建筑相比，高层建筑的沉降差异稍小，如选择渤海石油新村分布于振国路与东盐路交汇口西北侧地段的典型高层建筑(18层左右)，其年均沉降率为 2.6,mm/a，属于稳定性建筑；而东沽石油新村相应高层建筑(10层)，年均沉降率达到3.8,mm/a，从这 2个区域高层建筑的对比分析看，2个区域高层建筑均属于缓慢沉降稳定建筑，尽管东沽石油新村建筑楼层比渤海石油新村建筑层数低，但其沉降率还是要稍高．

图8 渤海石油新村与东沽石油新村不同类型建筑物沉降特征对比Fig.8 Comparison of subsidence characteristics between buildings of Bohai and Donggu districts

4) 不同类型建筑物沉降特征对比

图 9为不同建筑物沉降特征，反映出中、低层建筑沉降速率较快，高层建筑沉降速率较慢，这主要是由于不同建筑物的桩基类型不同造成的．

图9 不同类型建筑物沉降特征对比Fig.9 Comparison of subsidence characteristics between different types of buildings

2.5 不均匀沉降监测

渤海石油新村大部分建筑物属于均匀沉降，仅西南局部地区有不均匀沉降风险．东沽石油新村则在内陆区域存在较大面积的不均匀沉降区域，发生不均匀沉降的概率更大．图 10所示为东沽石油新村建筑物差异沉降情况，其中验证点位置见图 3．图中建筑东侧沉降量大，在沉降曲线上表现为线性大幅度沉降，西侧建筑则表现为缓慢下滑，不均匀沉降导致建筑墙体开裂．监测结果表明，沉降多发生于建筑物墙角部位，尤其是建筑墙角与临街公路交界处．

2.6 建筑物沉降成因分析

不同地区、不同类型建筑物具有较大的沉降差异，分析其原因对于塘沽建筑沉降灾害治理及风险控制具有较大的指导意义，结合区域地理环境、地质构造背景、土体深度和建筑物建成时间进行分析，初步认为建筑沉降有4个影响因素．

1) 软土厚度

图10 东沽石油新村典型建筑差异沉降Fig.10 Non-uniform subsidence of buildings in Donggu district

从建筑与软土厚度关系看，东沽地区东南侧临近海河边的建筑沉降率大于其他区域．东沽地区东南侧的软土厚度为 10.0～12.5,m，西北侧的软土厚度为7.5～10.0,m，东南侧沉降率也大于西北侧．但东沽区域的软土底板埋深在东南侧及西北侧均大体一致，为10.0～12.5,m．渤海石油新村西南侧的软土厚度较北侧大，同样表现出西南侧沉降率较北侧大．软土底板埋深也大体一致．因此，从建筑的软土厚度及埋深来看，这2个地区的建筑沉降主要与软土厚度有关．

2) 建筑桩基结构

不同层高建筑物的沉降率差异较大，而不同层高建筑物的桩基结构也截然不同，高层建筑物采用了深桩基，其沉降率极小，而低层建筑物一般很少采用桩基结构，其沉降率相应较大．

3) 建筑时间

通过 2个区域不同建筑沉降特征可知东沽石油新村沉降大于渤海石油新村，而从建成时间看，渤海石油新村建成时间早于东沽石油新村．初步推断，东沽石油新村建筑物较新，处于初始沉降阶段，因而沉降率稍大；相反渤海石油新村建筑物较老，沉降量较小．东沽石油新村的快速沉降区和中速沉降区均多于渤海石油新村．

4) 建筑周围地理环境

地理位置上，渤海石油新村离河道水域位置稍远，而东沽石油新村四周均为海河水域环绕，在周围地基结构薄弱的地方(如河漫滩、草地)，建筑更容易发生沉降．

3 结 语

随着雷达技术的发展，PSI技术在城市地区建筑物沉降监测上具备广泛的应用前景，由于监测结果精度高、监测控制点密度大、监测周期长，因而同以往的水准测量监测及 GPS监测相比，效率、精度、结果均具有大幅度提高，本研究不仅对于天津滨海新区城市建筑沉降风险控制具有科学的参考价值，同时对于其他地区也有一定的借鉴意义．

塘沽城市不同高度建筑沉降特征具有较大差异，低层建筑沉降率大于中层建筑，中层建筑又大于高层建筑．渤海石油新村西南侧沉降快于东北侧，东沽石油新村沿海河建筑沉降快于内陆．东沽石油新村建筑整体沉降快于渤海石油新村．同时对建筑物差异沉降进行了监测，差异沉降多发生于建筑墙角位置，容易引起建筑墙体开裂．通过分析，初步认为建筑物沉降主要受桩基结构、软土埋深及周围地基的综合影响，桩基越深，地面沉降率越小．同时建筑桩基如不能穿透软土层，则软土层对沉降也有较大的影响．通过不同区域不同类型建筑物沉降PSI分析与监测，为建筑物地面沉降监测风险控制提供科学依据，可为建筑物保护、房地产评估等提供关键信息．

应当看到的是高精度雷达数据目前数据价格仍然居高不下，卫星发射时间也较短，因此城市建筑监测应用也受到一定的限制，在具体应用时可考虑与类似日本 ALOS等较高分辨率、价格相对较低的卫星配合进行监测．

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Subsidence Monitoring of Urban Buildings Using PSI

LAN Heng-xing1，LIU Hong-jiang1，SUN Tie2，JIA You-liang3，YANG Zhi-hua1，DING Shang-qi4，HUANG Xiao-ming4
(1. State Key Laboratory of Resources and Environmental Information System，Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China；2. Tianjin Tiankan Binhai Engineering Technology Company Limited，Tianjin 300381，China；3. Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China；4. Bureau of Water Resources in Tianjin Binhai New Area，Tianjin 300450，China)

Because land subsidence severely threatens urban buildings，subsidence monitoring of urban buildings is very significant. Using Germanic synthetic aperture radar(TerraSAR-X)images with 1-m spatial resolution and permanent scatterers interferometric(PSI) technique，a subsidence monitoring experiment was conducted to study the subsidence characteristics of different types of buildings(time，height，location)in Tanggu Bohai district and Donggu district. The study shows that the temporal and spatial characteristics of building subsidence vary significantly with different types of buildings in terms of subsidence rate and subsidence time process. The study results can provide scientific reference for the risk control of buildings subsidence in Tianjin Tanggu Binhai New Area.

buildings subsidence；permanent scatterers interferometric(PSI)；TerraSAR-X

TP79，X43

A

0493-2137(2012)04-0292-09

2010-11-05；

2011-03-08.

国家自然科学基金资助项目(41072241）；国家科技支撑资助项目(2008BAK50B05）.

兰恒星（1972— ），男，博士，教授.

兰恒星，lanhx@lreis.ac.cn.