2023, Vol. 43
2. 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室，武汉市徐东大街340号，430077;
3. 天津市房屋质量安全鉴定检测中心有限公司，天津市环湖西路20号，300060
城市工程建设活动会使地表产生形变，对周边建筑物造成一定的影响，严重的将造成建筑物结构的破环，威胁人民生命财产安全[1]。学者们在利用时序InSAR技术对城市地表形变进行研究时，主要以大范围、大面积等沉降监测为主，同时对一些城市建筑物进行监测[2]，其中多以大型建筑、城市地铁为研究对象，获取其沉降规律及分布特征等结果[3]，而利用时序InSAR技术对小区域的地表形变进行监测的研究较少。
本文以天津市海河旁某一建筑区域为研究对象，采用PS-InSAR技术与SBAS-InSAR技术，利用2017~2021年54景Sentinel-1B降轨数据和65景Sentinel-1A升轨数据，获取该时间段内地表形变时序变化信息，并将获得的SBAS-InSAR结果进行进一步融合，分析地表形变时空演变特征，探讨建筑施工对地表形变及周边建筑物的影响机制，以期为地表形变监测与防治提供理论支撑。
1 研究区概况与研究数据研究区为天津某建筑施工区域，如图 1所示，红框为研究区范围；蓝框A、B为正在施工建设的居民楼区域，即在建区域，于2018年开始建设，大约在2020年底完工；黄框A、B为拆除建筑物的区域；绿框G、H为后续进行建筑改造的区域，因其位于中间区域，将其命名为中间改造区域，该区域于2019年初开始拆除工作，2019-07开始建筑物的改造工作，并于2021-01-30正式进入主体结构的施工阶段，直至本次监测结束；绿框A~F和I、J为没有进行建筑物施工的区域；R1和R2为道路区域，距离施工区域20 m；海河一旁的河堤距离施工区域约50 m。此外，后期研究区内进行了地铁线路的修建，位于在建区域A与中间改造区域之间，如图 1(a)所示，于2020-08开始建造，2021-06实现全线短轨通线。图 1(a)中绿点为本次实验的水准点位置。
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图 1 研究区位置 Fig. 1 Location of the studied area |
依据最新《建筑基坑工程监测技术规范GB50497-2019》相关要求，形变监测范围应为拟施工建筑物地下室外墙周边1~3倍基坑深度区域，施工建筑的基坑深度约16 m，因此初步确定监测区为基坑边线48 m范围内的区域，区内有A~F、I~J共8座建筑物、道路R1、R2及河堤。
研究数据主要为欧空局Sentinel-1A/B卫星C波段影像数据，观测模式为IW模式SLC，影像分辨率为5 m×20 m，极化方式为单极化(VV)。Sentinel-1A/B成像时间为2017-03~2021-12，Sentinel-1A升轨数据量为65景，入射角为33.68°，轨道方位角为-13.38°；Sentinel-1B降轨数据量为54景，入射角为41.66°，轨道方位角为-166.67°。辅助数据所用DEM为30 m分辨率的SRTM1，所用轨道数据为精密定轨星历POD。升降轨结果均由ENVI SARscape软件处理获得。
2 数据处理方法SAR卫星的飞行方向为近极地轨道，且SAR卫星多数为侧视成像，无论是单独的升轨还是降轨，获得的形变结果并不是地表真实形变，而是三维形变在视线向(LOS)的投影[4]。又由于SAR卫星近极地轨道飞行的几何关系，造成其对南北方向的形变并不敏感，可以忽略南北方向上的分量[5]，因此可将升降轨视线向形变最终分解成2个维度分量dU、dE，有：
| $d_{\mathrm{los}}^A=d_U \cos \theta_{\mathrm{inc}}^A-d_E \sin \theta_{\mathrm{inc}}^A \sin \left(\alpha_{\mathrm{azi}}^A-3 \pi / 2\right)$ | (1) |
| $d_{\mathrm{los}}^D=d_U \cos \theta_{\mathrm{inc}}^D-d_E \sin \theta_{\mathrm{inc}}^D \sin \left(\alpha_{\mathrm{azi}}^D-3 \pi / 2\right)$ | (2) |
式中，dlosA、dlosD分别为升轨及降轨的视线向形变，dU、dE分别为地表某点的垂向及东西向形变，θincA、θincD分别为升轨及降轨入射角，αaziA、αaziD分别为升轨及降轨轨道方位角。
将经过PS-InSAR技术[6]与SBAS-InSAR技术[7]处理获取的地表形变结果，按照式(1)和式(2)进行SBAS-InSAR成果融合。因施工期间研究区地表主要以垂直形变为主，且InSAR对垂直形变最为敏感，故将其投影变换为垂直向形变速率场，以便后续处理分析。本文进行了升降轨融合处理，但仍需要进行单轨与融合结果的对比，因此选取升轨结果为本次实验的单轨结果用来进行对比分析。
3 结果分析 3.1 InSAR结果精度分析根据精密水准测量数据，选取与其时间最接近的升轨、升降轨融合SBAS-InSAR结果进行外部检验。其中，SAR影像时间为2020-08-15和2020-09-08，精密水准数据时间为2020-08-18和2020-09-07。计算2种方法结果与精密水准测量结果的均方根误差，水准数据与升轨、升降轨融合SBAS-InSAR结果的均方根误差分别为1.19 mm和0.47 mm，在空间分布和量级上均具有高度一致性，且融合的SBAS-InSAR结果更加接近水准结果，证实了SBAS-InSAR形变结果的可靠性，升降轨融合的SBAS-InSAR结果较单轨结果更加精确。
3.2 建筑物施工阶段的地表形变时序分析通过SBAS-InSAR技术对研究区进行数据处理，共获取58景地表形变图，其中负值表示地表沉降，正值表示地表抬升。以2017-03-15为起始数据，随机选取17景影像进行展示(图 2)。
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图 2 监测期间地表形变时序 Fig. 2 Time series of surface deformation during monitoring period |
由图 2可知，随着建筑施工的进行，研究区地表形变越发明显。其中，沉降区域主要集中在左右两侧的在建区域，以在建区域A沉降最为明显；抬升区域则集中在中间改造区域。
2017年全年，研究区域以大面积沉降为主，且最小沉降量为1 mm，最大沉降量为3.81 mm。2018年初至2019年底，研究区域较2017年出现了明显的沉降区域及抬升区域。其中，沉降区范围在逐渐变小，最终集中在左右两侧的在建区域；抬升区主要集中在拆除建筑区域B。结合实际施工情况分析，地面沉降主要是由建筑施工活动引起的，因荷载增加导致地面出现了逐步沉降的现象；地面抬升则是因进行了建筑物的拆除，导致地面荷载减少，进而出现了攀爬式抬升现象。2 a来，地面沉降量最大达8.61 mm，地面抬升量最大达20 mm。2020年初至2021年底，研究区地表形变区域与2019年相同，不同的是形变量。2020年，在建区域A的沉降范围明显增大，表现为从中间向四周扩散的形式，且沉降量也逐步增大，8月份最大值为11.5 mm；在建区域B的沉降现象并没有明显的变化；拆除建筑区域B的抬升现象也没有明显变化，但拆除建筑区域A及未拆除建筑G、H也表现出抬升趋势，地面抬升量最大达22.61 mm。2021年初，在建区域A及中间抬升区域的形变较2020-11出现了明显的回升现象，并且观察2020-11-07与2021-02-22的形变发现，在建区域A与中间抬升区域之间存在一条线。2021年末，研究区地表形变恢复到2020-11的程度，结合实际施工情况分析，在建区域 A、B内的建筑在2020年已经竣工，沉降是建筑物自然下沉造成的；2021年出现的回升及下沉现象，可能是因为地下空间开发导致地面短暂性回升，也可能是区域降雨引起的地面暂时性抬升。监测期间，居民区、道路和河堤累积沉降量均在监测规范安全临界值以下，其健康状态不存在风险。
为更好地研究地表形变情况并分析地表形变与降雨的关系，从研究区选取A~F共6个点，提取其升降轨融合SBAS-InSAR结果与日均降水量进行对比，结果如图 3所示。其中，A点代表未拆建筑物A~F的居民区，B点代表在建区域A，C点代表中间改造区域，D点代表在建区域B，E点代表在建区域A前的道路R2，F点代表道路R2前的河堤。
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图 3 累计形变与日均降水对比 Fig. 3 Comparison of cumulative deformation and daily precipitation |
由图 3可知，2017-03~2018-04研究区的地表形变主要以抬升为主，这主要是由于研究区内之前建筑的拆除导致地面荷载减少，从而引起回弹式抬升，最大抬升量在5 mm左右，这也是许多新建建筑都有的过程。
2018-04~2019年底，在建区域A有明显的地表形变，开始表现为波浪式，最后表现为逐步下降，可能是由建筑施工引起；中间抬升区域则保持着抬升的趋势，可能是之前大部分建筑拆除的影响仍在，也可能是受邻近建筑物拆除及改造的影响；在建区域B也存在地表形变但不明显，可能是受中间改造区域抬升的影响，且其周围存在较多未拆建筑物。
2019年底至2021年底，在建区域A前期地表形变起伏不大，后期则出现明显的抬升及沉降现象，可能是因为地下空间开发及地铁线施工引起；中间抬升区域前期仍然在抬升，后期却表现出沉降趋势，可能是由于中间改造区域开始建筑施工引起；在建区域B并没有明显的地表形变发生。
在整个施工过程中，居民区受在建区域A施工的影响并不大，整体较为稳定；道路R2与河堤具有同样的形变阶段，虽前期受在建区域A的影响出现了波浪式形变，但最后较2018-04并没有太大的变化。
根据图 3中5 a降雨情况与地表形变的变化趋势发现，降雨前后地表有较小的起伏变化，其中，以2020年与2021年表现最为明显，说明地表形变与降雨量存在一定关系。而经地质钻孔勘察发现，研究区地层以杂填土为主，受含水量影响较大，且土壤富含大量孔隙水，在干湿过程中会产生物理膨胀，造成研究区暂时性抬升现象。
4 结语本文以天津某施工区域为研究对象，探究建筑施工对地表形变及其周围建筑物的影响机制，并利用SBAS-InSAR技术对研究区域进行参数反演，获取连续时序形变信息，以分析形变演化规律及特征。结论如下：
1) 与精密水准测量相比，SBAS-InSAR结果的均方根误差为0.47 mm，优于1 mm，满足施工区域地表形变监测的要求。
2) 建筑施工期间，地表会表现为波浪式形变，且会使周围地物产生地表形变，越靠近施工建筑物影响越大。
3) 研究区土壤层富含大量孔隙水，在干湿过程中会产生物理膨胀。随着天津雨季的到来，研究区的沉降区域与抬升区域均会出现暂时性抬升的情况。
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2. State Key Laboratory of Geodesy and Earth's Dynamics, Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, CAS, 340 Xudong Street, Wuhan 430077, China;
3. Tianjin Inspection and Testing Center for Housing Quality and Safety Co Ltd, 20 West-Huanhu Road, Tianjin 300060, China