雷达干涉测量地表沉降和建筑物变形监测及分析

周 吕

桂林理工大学测绘地理信息学院，广西 桂林 541004

近年来，雷达干涉测量技术作为一种新兴的空间大地测量技术，凭借其非接触式、高时空分辨率等优势，克服了常规方法空间分辨率低、作业成本高等缺点，应用广泛。但其也存在一定的局限性，如星载雷达干涉测量技术受重返周期长、大气延迟等影响，难以满足高时间分辨率、高精度形变提取；地基雷达干涉测量技术虽然可有效克服星载雷达干涉测量技术的不足之处，但采用高频数据采集时，受环境变化、仪器误差等影响，雷达信号中会存在白噪声与有色噪声，影响形变信息的精确估计；雷达干涉测量技术仅可获取监测对象的几何形变信息，为更合理地评估灾害安全性还需结合监测对象形变的物理影响因子进行解释与评估。本文基于上述问题展开了研究，主要研究内容与贡献如下：

(1) 提出了一种基于MTInSAR与GRACE的地表沉降分析方法，来研究北京地区地表沉降及其与地下水变化间的相关性。利用2007—2010年间的18景ENVISAT ASAR影像，采用MTInSAR技术获取了北京地区该时段内的地表沉降速率场与空间分布，并利用水准测量数据验证了MTInSAR沉降结果的精度优于5 mm/a。北京地区不均匀沉降明显，市区大部分地区沉降速率小于10 mm/a；通州地区的沉降最为严重，其中最大沉降速率超过了140 mm/a。此外，利用GRACE数据反演了研究区域的地下水变化时间序列与趋势，并与MTInSAR沉降结果进行对比分析。结果表明，地下水位变化与地表沉降之间的长期递减趋势表现出较高的一致性；沉降漏斗与地下水漏斗的空间分布呈现出部分一致，前者分布的范围比后者更广。

(2) 基于Sentinel-1A TOPS SAR影像，采用小基线集时序InSAR分析方法，研究了武汉地区2015—2016年的地表沉降特征，得到了武汉市主要沉降区域的沉降变化图，分析建立了武汉地区地表沉降与城市建设、降雨量、工业发展、岩溶作用和长江水位变化等因素的关联关系。采用110个水准点数据验证了地表沉降结果，精度为6 mm/a。武汉地区不均沉降明显，其沉降速率范围为-82～18 mm/a，且最大沉降速率位于后湖地区；地表沉降时间序列呈伴随有明显季节变化的非线性沉降。地表沉降漏斗与工程建设施工区和工业区之间的位置分布具有较高的空间相关性；地表沉降中的季节性变化与水位变化和降雨量有关；武汉地表沉降主要由人为活动、土层压缩性、岩溶作用等造成。

(3) 提出了一种可顾及白噪声与有色噪声影响的雷达信号形变信息估计模型，并将其应用于武汉市地铁11号线盾构隧道下穿东湖高新大桥期间对该桥的安全监测与分析。通过地基干涉雷达获取了该桥的沉降时间序列，并采用水准测量验证其精度优于0.33 mm。通过功率谱分析和极大似然估计在去噪后的沉降时间序列中探测到白噪声和有色噪声。对于7和8号桥墩的沉降时间序列，有色噪声振幅分别为0.382 4 mm和0.626 1 mm，而白噪声振幅分别为0.041 4 mm和0.061 0 mm。基于估计模型得到7和8号桥墩的沉降速率分别为(-0.012 2±0.006 0) mm/h和(-0.006 5±0.005 8) mm/h，累计沉降分别为-0.636 5 mm和-0.337 0 mm，结果表明该桥稳定、安全。

(4) 研究建立了一套基于GB-RAR进行超高层建筑物动态特性监测与分析的技术方法。采用GB-RAR技术监测在建武汉绿地中心(636 m)南北与东西方向动态形变信息，并基于小波分析与周期图法提取了该楼精确的水平位移、摆动幅度、位移轨迹线以及显著频率等动态特性信息。研究时段内楼顶处南北与东西方向水平最大摆动幅度分别为18.84 mm与15.94 mm，且精度达亚mm级；探测出该楼的固有频率为0.20 Hz，由于大楼同时受施工震动、风荷载及温度等影响，导致该大楼还受其他频率影响比较明显。