InSAR 技术在超高层建筑变形监测的应用研究

李瑞峰，常 乐，秦 海

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.国家建筑工程技术研究中心，北京 100013）

0 引言

随着社会的进步和经济的快速发展，各个城市不断建设超高层建筑作为地标建筑，超高层复杂的结构体系和施工工艺给施工带来了巨大的挑战。施工期间超高层建筑荷载不断增加和外部环境的影响，导致超高层建筑变形增大，为保证施工的顺利进行和结构的安全，有必要对超高层建筑进行变形监测。InSAR 技术对超高层建筑进行变形监测，具有大范围、高密度、强时效性、对大气和季节的影响不敏感等优点。施工过程中，对结构的关键部位进行变形监测，当超高层结构在施工过程中出现超规范的变形情况发出预警，及时发现安全隐患，对保障超高层结构安全和施工顺利进行具有重要意义［1-6］。

国外学者对地面干涉雷达变形监测应用方面进行了研究，1999 年 DTarchi 等［7］采用 LISA 技术对 Schwaz 镇的滑坡体进行了变形监测研究；GLuzi 等［8］对 Belvedere 冰川的移动进行了监测；GAntonello 等［9］利用星载 SAR 和地面 SAR 对 Stromboli 火山进行了变形监测。

然而，国内关于 InSAR 技术对超高层建筑进行变形监测的研究相对较少。本文以国内某超高层变形监测为例，对 InSAR 技术对超高层建筑进行变形监测进行了研究。

1 InSAR 变形测量技术

InSAR 变形测量技术采用合成孔径雷达技术与干涉测量技术相结合的方法，主要分为 D-InSAR 方法和 PSInSAR 方法。通过研究这 2 种方法的基本原理和 InSAR 的技术特征，对研究超高层建筑变形监测有重要意义。

1.1 D-InSAR 方法

合成孔径雷达（SAR）是一种主动式微波遥感，所获取的像素用来记录地面分辨元的雷达后向散射强度信息及相位信息，反映了地表属性，相位信息包含雷达与目标物之间的距离信息，InSAR 系统相位示意图如图 1 所示。将覆盖同一地区的两幅雷达图像对象像素的相位值相减，得到该地区的相位差图，即干涉相位图。InSAR 技术利用该地区的干涉相位图中的干涉相位信号，提取和分离目标物的高程和位移信息。干涉相位表达式如式（1）所示。［10］

式中：φflat为平地相位；φtopo为地形相位，可以用来获得地形信息；φdef为形变相位；φatmo为大气延迟相位；φnoise为观测噪声相位，相位以度（角度）作为单位。

图1 InSAR 系统相位示意图

为得到形变相位，需要把相位信息中的平地相位、地形相位、大气延迟相位和观测噪声相位去除，这种方法称为雷达差分干涉技术（D-InSAR）。

从图 2 中可以得出以下关系，如式（2）所示。

式中：Δr为地面目标点的LOS向形变信息，m；λ为雷达波长，m。

图2 差分干涉测量几何关系（D-InSAR）

1.2 PS-InSAR 方法

PS-InSAR 方法是指永久散射体合成孔径雷达干涉测量技术，PS-InSAR 技术中的永久散射体（PS）指对雷达波的后向散射较强且在时序上较稳定的各种地物目标，如建筑物与构筑物的顶角、桥梁、栏杆、裸露的岩石以及人工布设的角反射器等目标。PS 点几乎不受相关噪声影响，即使在多年时间间隔的干涉对中仍然保持较高的干涉相关性。由于永久散射体可在很长时间间隔内保持高相干，并且在空间基线距超过临界基线距的情况下，也能够保持高相干性，这样便可充分利用长基线距的干涉图像对，最大限度地提高数据的利用率；因此，可找出研究区域内的 PS 点，通过对这些 PS 点进行时间序列分析，消除大气的影响，便能准确测量到 PS 点的形变量，从而监测到目标区域的变化，并精确地反映出所监测区域的相对位移［11］。

目前，PS-InSAR 技术在城市地面沉降监测和重点基础设施监测中得到广泛应用。通过和同期水准测量数据和 GPS 测量数据对比，证实 PS-InSAR 技术具有较高的可靠性，因此采用 PS-InSAR 技术对超高层建筑进行变形监测是可行的。

1.3 InSAR 技术特征

第一，无需地面布置监测设备，由于雷达卫星干涉测量监测无需地面测站，不受监测时间和空间的限制。同时可以避免地面控制点的限制，尤其是不用设置中间过渡点，且不必建标，从而可节省大量的人力和物力，大大提高监测效率。

第二，主动发射微波，雷达卫星干涉测量由地面控制站根据监测任务安排，制定卫星数据获取计划，卫星根据编程指令，绕行地球通过制定区域时，向地面主动发射微波并接收回波完成测量。

第三，监测点密度高，常规监测条件下，监测点数量一般为 1～100 个/km2的离散孤立监测点，仅能近似地反映区域形变的情况。雷达干涉测量监测点数平均密度可达 20 000个/km2，高密度分布的观测点为观测区域内不同目标的形变分析提供客观数据支持，进而实现区域内连续形变特征分析。

第四，全天候观测，雷达卫星干涉测量不受气候条件的限制，在夜晚或是风雪雨雾条件下仍能进行有效观测。

第五，全自动化观测，由于雷达卫星干涉测量的数据采集工作是自动进行的，同时卫星与接收站、接收站与用户之间通过数据链路进行联系，故用户可以较为方便地把雷达卫星干涉测量监测系统建成全自动化的监测系统。这种系统设计不但可保证长期连续运行，而且可大幅度降低变形监测成本，提高监测资料的可靠性。

第六，精度高，mm 级的精度已可满足一般崩滑体变形监测的精度要求，因而可在滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的监测中得到广泛的应用，成为一种新的有效的监测手段。

2 工程应用

WHZX 超高层建筑位于武汉市，地下 5 层，地上 98 层，建筑高度 475 m，采用 SRC 巨型柱框架、型钢混凝土核心筒和伸臂桁架结构体系。WHZX 超高层结构采用内置异形型钢混凝土巨柱、内置型钢或钢板（钢骨柱）钢筋混凝土核心筒、连接核心筒与外框的伸臂桁架、约束结构变形的环带桁架以及对应楼层结构钢梁、组合楼板组成，如图 3 所示。WHZX 超高层结构高度超限，随着结构施工的进行，在结构荷载不断增加和环境影响下，超高层建筑会产生变形。如果变形达到一定程度，会影响结构的安全性，甚至发生倒塌，因此有必要对结构施工过程进行监测工作，当超高层结构在施工过程中出现超规范的变形情况会发出预警，及时发现安全隐患，保障超高层结构施工安全。

图3 WHZX 结构示意图

图4 变形监测 PS 点位图

图5 Q 1 点变形监测曲线

图6 Q 2 点变形监测曲线

图7 Q 3 点变形监测曲线

图8 Q 4 点变形监测曲线

图9 Q 5 点变形监测曲线

图10 Q 6 点变形监测曲线

选取 6 个 PS 点，WHZX 超高层变形监测 PS 点如图 4 所示，监测点选择在核心筒一层剪力墙位置处。变形监测曲线如图 5～10 所示，其中 Q1 点与 Q2 点变形基本一致，Q3 点与 Q4 点变形基本一致，Q5 点与 Q6 点变形基本一致，最大不均匀沉降约 4 mm，其中 2016 年武汉发生洪涝灾害，变形值有所上升。InSAR 变形曲线与实际沉降规律一致，变形未超过规范限值，施工顺利进行。

3 结语

施工期间超高层建筑荷载不断增加和外部环境的影响，导致超高层建筑变形增大，为保证施工的顺利进行和结构的安全，有必要对超高层建筑进行变形监测。通过 InSAR 技术在 WHZX 超高层变形监测中的应用，证明 InSAR 技术具有大范围、高密度、强时效性、对大气和季节的影响不敏感等优点。施工过程中，对结构的关键部位进行变形监测，当超高层结构在施工过程中出现超规范的变形情况会发出预警，及时发现安全隐患，对保障超高层结构安全和施工顺利进行具有重要意义。Q