雷達干涉測量地表沉降和建筑物變形監測及分析

周 呂

桂林理工大學測繪地理信息學院，廣西 桂林 541004

近年來，雷達干涉測量技術作為一種新興的空間大地測量技術，憑借其非接觸式、高時空分辨率等優勢，克服了常規方法空間分辨率低、作業成本高等缺點，應用廣泛。但其也存在一定的局限性，如星載雷達干涉測量技術受重返周期長、大氣延遲等影響，難以滿足高時間分辨率、高精度形變提取；地基雷達干涉測量技術雖然可有效克服星載雷達干涉測量技術的不足之處，但采用高頻數據采集時，受環境變化、儀器誤差等影響，雷達信號中會存在白噪聲與有色噪聲，影響形變信息的精確估計；雷達干涉測量技術僅可獲取監測對象的幾何形變信息，為更合理地評估災害安全性還需結合監測對象形變的物理影響因子進行解釋與評估。本文基于上述問題展開了研究，主要研究內容與貢獻如下：

(1) 提出了一種基于MTInSAR與GRACE的地表沉降分析方法，來研究北京地區地表沉降及其與地下水變化間的相關性。利用2007—2010年間的18景ENVISAT ASAR影像，采用MTInSAR技術獲取了北京地區該時段內的地表沉降速率場與空間分布，并利用水準測量數據驗證了MTInSAR沉降結果的精度優于5 mm/a。北京地區不均勻沉降明顯，市區大部分地區沉降速率小于10 mm/a；通州地區的沉降最為嚴重，其中最大沉降速率超過了140 mm/a。此外，利用GRACE數據反演了研究區域的地下水變化時間序列與趨勢，并與MTInSAR沉降結果進行對比分析。結果表明，地下水位變化與地表沉降之間的長期遞減趨勢表現出較高的一致性；沉降漏斗與地下水漏斗的空間分布呈現出部分一致，前者分布的范圍比后者更廣。

(2) 基于Sentinel-1A TOPS SAR影像，采用小基線集時序InSAR分析方法，研究了武漢地區2015—2016年的地表沉降特征，得到了武漢市主要沉降區域的沉降變化圖，分析建立了武漢地區地表沉降與城市建設、降雨量、工業發展、巖溶作用和長江水位變化等因素的關聯關系。采用110個水準點數據驗證了地表沉降結果，精度為6 mm/a。武漢地區不均沉降明顯，其沉降速率范圍為-82～18 mm/a，且最大沉降速率位于后湖地區；地表沉降時間序列呈伴隨有明顯季節變化的非線性沉降。地表沉降漏斗與工程建設施工區和工業區之間的位置分布具有較高的空間相關性；地表沉降中的季節性變化與水位變化和降雨量有關；武漢地表沉降主要由人為活動、土層壓縮性、巖溶作用等造成。

(3) 提出了一種可顧及白噪聲與有色噪聲影響的雷達信號形變信息估計模型，并將其應用于武漢市地鐵11號線盾構隧道下穿東湖高新大橋期間對該橋的安全監測與分析。通過地基干涉雷達獲取了該橋的沉降時間序列，并采用水準測量驗證其精度優于0.33 mm。通過功率譜分析和極大似然估計在去噪后的沉降時間序列中探測到白噪聲和有色噪聲。對于7和8號橋墩的沉降時間序列，有色噪聲振幅分別為0.382 4 mm和0.626 1 mm，而白噪聲振幅分別為0.041 4 mm和0.061 0 mm。基于估計模型得到7和8號橋墩的沉降速率分別為(-0.012 2±0.006 0) mm/h和(-0.006 5±0.005 8) mm/h，累計沉降分別為-0.636 5 mm和-0.337 0 mm，結果表明該橋穩定、安全。

(4) 研究建立了一套基于GB-RAR進行超高層建筑物動態特性監測與分析的技術方法。采用GB-RAR技術監測在建武漢綠地中心(636 m)南北與東西方向動態形變信息，并基于小波分析與周期圖法提取了該樓精確的水平位移、擺動幅度、位移軌跡線以及顯著頻率等動態特性信息。研究時段內樓頂處南北與東西方向水平最大擺動幅度分別為18.84 mm與15.94 mm，且精度達亞mm級；探測出該樓的固有頻率為0.20 Hz，由于大樓同時受施工震動、風荷載及溫度等影響，導致該大樓還受其他頻率影響比較明顯。