文摘
地面沉降在应对地下工程的建设,例如,地铁,造成许多地质灾害和阻碍可持续发展的城市化,特别是中国。高时空分辨率的地面沉降的分析是必要的,可以帮助评估地质灾害的风险。在这项研究中,我们应用SBAS-InSAR技术监测地面沉降在福州市区地铁建设的项目。24 x波段的场景TerraSAR数据从2013年7月至2015年8月,32 c波段的场景Sentinel-1数据从2015年7月到2018年2月被用在这个实验。我们的结果显示最大沉降速率的-12毫米/年,和八个沉降漏斗在观察期间被发现。在分析这些地区在很长一段时间内的沉降,可以得出结论,有三个区域有一个相对稳定的灾难性的沉降效果,并有可能进一步加剧沉降。
1。介绍
福州,福建的省会,中国做出了积极努力扩大城市建设工程。2018年,福州城市经历了主要的扩展:
(1)1号线建设开始于12月27日,2009年。它的总长度为28.8公里,连接到济南的中心区域,公园鼓楼,台江许下。
(2)第2行开始建造于11月28日,2014年,还在建设中。
地下工程的迅速发展,也导致许多负面影响,如地面沉降、土壤侵蚀、建筑物倒塌、地下管道破裂。地面沉降是工程建设的主要灾害之一。城市地面沉降是一个世界性的问题,世界上许多城市都濒临灭绝,地面沉降(1]。地面沉降灾害会导致地面高程的变化、破坏市政设施和建筑,和铁路运输的安全威胁,从而影响城市的发展和安全(2]。预防和控制地面沉降造成的影响和损害,迫在眉睫的是建立有效的城市地铁建设项目区域变形监测和早期预警系统。地铁建筑工程领域的人口稠密的商业街区,变形监测技术提出的要求精度高、效率高、和全职覆盖。
目前,传统地面沉降的监测方法和技术主要包括传统水准测量高精度,分层动态监测(基岩、分层、地下水动态监测)和GPS测量技术。然而,随着城市建设的快速发展,结算范围的不断扩大和网络布局问题已经监控,导致测量的困难:增加水准点覆盖缺口,测量周期长,浪费人力和物力;分层施工现场动态监测是很难选择,一次性投资大量的资金和有限的网点布;GPS测量点很容易受损,难以维护。
近年来,干涉合成孔径雷达(InSAR)技术,拥有的优势weather-independent有高地敏感性,在地面形变测量受到了人们的广泛关注3]。
一般而言,微分InSAR (D-InSAR)技术首先生成一个包含两个表面变形信息的干涉图和地形信息来自两个雷达图像通过传统InSAR技术然后颠倒地形阶段基于DEM和删除它从外部干涉相位(4- - - - - -7]。最后,一个干涉图只包含地形变形信息,但是,事实上,大气相位干涉图也有效果,使其难以实现高精度测量(8,9]。
为了解决大气效应阶段,学者们进行了深入的研究和开发永久散射InSAR (PS-InSAR) [10,11InSAR (SBAS-InSAR)[]和小基线子集12]。其中,SBAS-InSAR技术执行的适当组合获得的数据来获得一系列小基线微分干涉图的子集,可以更好地克服大气相位的影响。那么奇异值分解)方法用于解决变形速率和解决排名的问题解决方案过程中的损失(13]。
城市地区易受表面变形由很多因素引起的,如自然和人类活动。2012年,徐文斌SBAS-InSAR技术结合GPS数据和地下水位数据来研究表面变形时间序列在洛杉矶,美国,成功地揭示了表面变形的面积从2003到200914]。此外,在2014年,埃斯特尔Chaussard ALOS数据用于时间序列变形的研究,分析了地面沉降问题在墨西哥城通过SBAS-InSAR技术,并成功地确定了21个地区地面沉降(包括17个城市)。墨西哥城的线性垂直速度超过30厘米/年,而其他地方检测/年(5 - 10厘米的速度15]。同样,董Shaochun SBAS-InSAR用来执行时间序列上海地面沉降的变形分析。结果表明,大部分的研究区域均匀沉没,但沿着地铁线,高架道路和高速公路,周围的摩天大楼迅速消退(2]。
总之,尽管相关学者已经证明了的科学可靠性InSAR技术对城市地面变形,相关的研究成果大多是短期基于一颗InSAR技术的变形监测,,很难持续监测精度高的施工过程。
在本研究中,两个不同的雷达卫星数据,TerraSAR Sentinel-1A,执行长期表面变形监测福州市区从2013年到2018年,增加监测频率,扩大监测范围。结合福州地铁建设的建设和相关灾难信息,表面变形的结果在福州地铁建设的可行性和实用性进行了研究评价SBAS-InSAR技术在城市建筑变形监测,证明这项技术可以方便的和有效的监测方法在城市建筑物的建设和维护。
2。研究区和数据集
2.1。研究区域
研究区位于福建省福州市区的核心区域(公园鼓楼地区、济南地区、台江区,苍山区);这些区域与密集的高层建筑,庞大的人口流动,复杂的地质条件,交通便利。的主要建设和运营线1和线2进行了在此期间。除了关注领域的两个地铁线路通过,相关研究也在城市地区受到各种大规模的城市建设工程。雷达图像数据的覆盖图所示1。
2.2。数据
外部DEM数据,“世界3 d-30m树脂黄”提供的数据空间分辨率为30米日本宇宙航空机构(JAXA),用于模拟和消除地形相位的贡献。DEM数据还用于重塑和地理编码结果InSAR产品运行Ge-Doppler坐标相对应的地图几何统一横轴墨卡托(UTM)坐标系统。
在这个研究中,24现场terrasar - x 32场景图像和Sentinel-1A图像被选为研究数据来源。前者涵盖了2013年7月18日至8月27日,2015年,后者涵盖了从7月6日,2015年,2月8日,2018。
基于短基线组的选择原则,最优空间基线值和最优时间基线值,这不仅保证了时间和空间的连续性的干扰,但也确保干扰结果的相关性。这个实验的空间基线值是0 - 600,和时间基线值是0 - 200天。系统自动选择super-master图像在主图像在小基线子集根据three-baseline最小原则(空间基线,基线和多普勒质心频率基准)。最后,得到了62对有效干扰对7月18日,2013年和2015年8月27日。162对有效干扰对7月6日之间获得2015年和2018年2月8日(见图2)。
(一)
(b)
3所示。方法和数据处理
SBAS-InSAR是一个新开发的D-InSAR时间序列分析方法,首次提出通过Berardino et al。16]。它所有获得的SAR数据结合形成干扰对然后设置空间基线和时间基准阈值,得到几个小基线集的时空基准小于阈值。每组的表面变形时间序列可以解决最小二乘法,然后几个奇异基线集通过奇异值分解来解决(计算)。这有效地解决不同小基线集之间由于基线长时间不连续造成的问题,提高监测时间分辨率,有效地解决了一般方程等级不足的问题,最后得到了覆盖整个地面沉降观测时间序列。
假设SAR图像在同一地区N + 1,拍摄的时间 ;至少它是组合成M干涉条纹图像。
对于任意两个微分干涉图( ),打开阶段可以表示为(17]:
在公式(1),是我的形象和x像素的干扰阶段。和是在两个不同的时间阶段的干扰。
的的相位差是平的阶段,是地形的相位差阶段,地面变形的相位差,是大气相位误差,的错误是噪音。
地形平坦的阶段,阶段,阶段的变形,大气的阶段在公式(1)可以进一步表示为
的公式,是雷达波长和R是斜距,是垂直基线,是民主党的高差,是迎角。
假设是两个不同的干涉图之间的应变率 ,然后之间的累积变形和可以表示为(18]
变形率的积分之间的时间间隔是主人和奴隶的干涉图图像。
立即的集成速度在每个时间间隔之间的主形象,从图像间隔。用矩阵形式:
利用奇异值分解方法,系数矩阵的广义逆矩阵B,这样数据向量的最低标准的解决方案。最后,为每个时间速度积分给出了每个时期的变形量。
4所示。结果
根据SBAS-InSAR技术,年平均结算福州市地图从2013年7月至2015年8月和2015年7月到2018年2月获得(参见图3),时间序列沉降位移如图4。从结果,可以发现有大量的离散结果和一些异常隆起地区北部的城市。这是因为有大量的植被地区。增长和枯萎的植物往往导致低相干甚至完整的解相关,导致打开错误,甚至无法打开。此外,八个不同的大型沉降区域可以找到(叫我~第八区,和近似解决位置和范围除以两年平均结算)。
(一)
(b)
统计分析后的年平均沉降速率映射在两个不同时期,福州市区的平均年增长率从2013年到2015年是+ 1.32毫米/年,平均年增长率与-123毫米/年+ 103毫米/年,所有像素值和标准偏差为±9.0毫米/年。从2015年到2018年,平均年增长率为-3.7毫米/年,年增长率平均为-120毫米/年+ 80毫米/年,和标准偏差在±10毫米/年。
可以看出,整个福州处于稳定状态从2013年到2018年。的标准差两个数据源的结果非常接近,证明了监测两个数据源的准确性也很好。此外,沉降面积基本上是位于地铁附近,这是猜测,地铁的建设和运营对地面沉降在福州有巨大的影响。
变形点的区间值率沿地铁区间计算的方法。两个不同的地铁站的地理位置为中心的左和右边界间隔,间隔的影响选择的范围是100米。所有变形点的速度的统计区间值的平均利率值每间隔1号线和2号线在不同时期。根据工程地质的经验,地区之间与应变率值5毫米/年+ 5毫米/年在城市可以被看作是相对稳定的地区,而变形地区超过±5毫米/ y年被列为潜在的灾区。基于上述统计原理,区域平均速度值计算得到的变形速度值我八世地区。结算利率第一到第六区从2013年到2015年是7毫米/年,-5.5毫米/年,-6.7毫米/年,-5.2毫米/年,-8.2毫米/年,和-12.2毫米/年,而V,第七和第八区达到8。7毫米/年,5。4毫米/年,7和从2015年到2018年,每年4毫米(I, II, III区、七世和八世属于地铁2号线;第四区域属于地铁1号线;V和VI地区公路工程领域和住宅区域)。
因为这两种类型的数据覆盖范围有很大区别在监测时间,只有一个月的时间可以重叠。通过选择8相关特征点(A01-A08) I-VIII区域,这些点的监控形状变量分析了重叠时间差异(见图5)。从图可以看出5两组数据监测结果保持高度的相关性在2015年7月和2015年8月,和不同的是0 -±2毫米。因此,可以认为,监测精度的两组数据之间在这个实验中可以达到毫米级。
5。讨论
5.1。变形特征点
确定八沉降区域的范围后,沉降特征点(例如,P1, P2, P3……P27;看到在图6)在该地区搜索分析这些特征点的变形特性的时间序列研究沉降趋势和动态发展。
5.2。分析
我从2013年到2015年,该地区(Yangli Station-Gushan)是在一个不规则的缓慢下沉的状态,甚至严重下沉部分超过30毫米超过24个月(见图7);从2016年到2018年,该地区的总体变形速率为-2.9毫米/年,这是相对稳定的。通过数据审查,发现道路工程建设造成地质软土地层的破坏,导致发生沉降的影响。从图7的变形演化特征点在时间序列可以被发现。特征点有了沉降效应在2014年2月之前,这个时间节点之后,它是振荡和下沉。可能被认为是在这个时间节点之前,公路工程在基坑抽水施工,导致停滞软土地层的表面上。在那之后,表面是在复苏阶段。然而,由于不可逆损伤表面土壤结构,仍会发生一定程度的下沉的影响。
从2013年到2014年2月,第二区域(Jinshan-Hongwan)经历了连续沉降解决20毫米,2014年2月后,它显示周期性隆起和沉降变形的速度+ 1.6毫米/年(见图8)。猜测的原因是解决该地区地下水的抽取,周期性的隆起和结算是由季节性降雨造成的。
面积III (Hongwan-Juyuanzhou)从2013年到2015年是-10毫米和-20毫米之间,主要解决发生在2015年1月之前(见图9)。地铁建设计划表明,Juyuanzhou网站在围栏建设国家在2015年1月。它可以合理地认为基坑的开挖破坏附近土层的稳定状态,造成不均匀沉降。
从2013年到2015年,该地区IV (Lulei-Triangle城市)进化0毫米和-30毫米之间,和整体沉降趋势很一致,这是缓慢的结算(见图10)。这个区间的应变率为-1.5毫米/年2015年之后和稳定。监测期间,间隔是在施工阶段,和区域沉降特征非常接近。
地区的沉降速度值V 2013年和2015年和2015年到2018年之间超过8毫米/年。累计解决该地区2013年和2015年之间-15毫米和-65毫米之间,和在2015年和2018年之间-45毫米和-80毫米之间。值得注意的是,区域沉降特性进行了分析的地理分布特征点。和解的振幅特征点在东北方向通常大于西南方向的特征点。从2013年到2015年,解决P13好是比P15;在2015年至2018年之间,P21 P20的定居点,也比P19(见图11)。
总之,它可能是认为的沉降趋势区域V从西南到东北,和沉降面积进一步增加。
经过调查,发现该地区V属于建设Yixu公路项目的范围。道路工程的开挖扰动引起的软土地层的结构稳定性和地面沉降的影响。此外,随着公路工程的节段性发展,结算的范围将进一步转移和扩展。
该地区沉降速度VI是最大的在所有地区,达到-12.2毫米/年2013年至2015年,以及-25毫米和-60毫米之间的累积变形(见图12)。最严重的沉降漏斗形成在龙华的公寓,在地面沉降发生在这一时期得到了证实。这是密切相关的建设项目附近的公寓。2015年之后,和解趋势将逐渐企稳,不再会有大规模的解决灾害的影响。
累计沉降区七世(Gushan-Shangyang)从2015年到2018年是-40毫米和-60毫米之间,主要解决发生在2016年4月(见图13)。本节开始建设2017年2月,和区域沉降与时间节点在良好的协议。尚阳公寓位于旁边的尚阳站,和解决灾难居住建筑的影响。
区八世的变形率达到-7.4毫米/年从2015年到2018年,和沉降点主要是位于旁边的十字路口地铁内部。解决特征点显示,这个十字路口的累积沉降是-30毫米和-50毫米之间,2016年8月之后,它将继续增加(见图14)。十字路口2017年倒塌严重。
总之,这将导致以下推论:
(1)七世和八世是2号线的地铁,和地铁盾构施工造成的损失部分表面土层和结构损伤引起的隧道周围的土壤沉降的效果。
(2)区域V属于道路建设区域。公路施工的基坑开挖破坏了地下水层的稳定状态,和土层基坑附近也有下沉的影响。Nanmendou地铁站的沉降效应主要是由于过多的负载。
(3)地铁施工周期很长,和大量的使用在非常规条件下地下水会导致地表沉陷。建筑完工时,沉降速率明显降低,但结算仍然存在,这需要时间整合的岩石和土壤。
6。结论
在这个实验中,福州市区的土地变形从2013年到2018年被成功执行的应用SBAS-InSAR技术结合两种不同的雷达卫星数据(TerraSAR和Sentine-l)。通过分析两个数据集之间的差异结果的重叠时间,数据保持高度的相关性,以及它们之间的监测精度达到毫米级。
通过时间序列分析的方法,讨论了各种沉降的影响和发展趋势方面,一些稳定变形区中被消除,和一些潜在的沉降灾区也发现,从而防止沉陷灾害的发生和发展。其中,解决地区七世和八世是由盾构施工引起的,具有很好的参考意义为未来地铁项目。解决区域V是由于过度负荷。此外,过度使用地下水在建设项目需要及时的预防和控制措施,容易发生灾害。总之,SBAS-InSAR技术的可行性和实用性在城市建筑变形监测的一个方便和有效的监测方法对城市建设和维护。
数据可用性
民主党AW3D30下载有效链接https://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/aw3d30/data/index.htmID:(电子邮件保护),密码:aw3d30。Sentinel-1数据用于支持本研究的发现可以发布应用程序帐户(https://scihub.copernicus.eu/dhus/ /家庭),可以通过电子邮件联系。TerraSAR数据用于支持这项研究的结果被DLR提供许可制,所以不能免费提供。请求访问这些数据应该经销商。作者获得TerraSAR数据通过应用科学研究数据的配额。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作得到了福建省科技计划项目(批准号2017 y3004),由中国国家自然科学基金(批准号41204012和41204012)。我们要感谢欧洲航天局(ESA)安排哨点数据和日本航空航天机构(JAXA)提供“世界树脂黄3 d - 30 m”数据。