InSAR技術(shù)在城市更新中的應(yīng)用研究

陳 琦 劉 江 魯大江

(廣州市城市更新規(guī)劃研究院, 廣東 廣州 510060)

0 引言

城市更新的概念最早出現(xiàn)于18世紀(jì),是指城市發(fā)展過程中優(yōu)化重構(gòu)低效用地的一系列行動[1]。城市更新是城市發(fā)展由粗放式增量開發(fā)轉(zhuǎn)入內(nèi)涵式存量開發(fā)的必經(jīng)之路,是優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu),加快傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級,推動城市高質(zhì)量發(fā)展的“引擎”之一。廣州市作為國內(nèi)城市更新的先行者,通過數(shù)十年的實踐,不斷深化城市更新發(fā)展理念,豐富改造方式,已從“三舊改造”時期單一的大拆大建階段過渡到“城市更新”時期“留、改、拆”協(xié)調(diào)配合的混合改造階段[2]。舊產(chǎn)業(yè)園屬于城市更新的主要對象,受使用周期、環(huán)境承載力及維護成本等影響,園區(qū)建筑易出現(xiàn)沉降、傾斜及墻體開裂等形變?yōu)暮?形變?yōu)暮Πl(fā)生范圍廣,作用過程緩慢不易察覺,進行混合改造時,建筑形變特征是制定改造方案的參考因素之一,為保障城市更新工作的質(zhì)量,需要在前期進行園區(qū)建筑的形變監(jiān)測。

傳統(tǒng)的建筑物形變監(jiān)測手段有水準(zhǔn)測量、全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)測量和標(biāo)志測量,這些測量手段多適用于單體監(jiān)測,且存在設(shè)備成本高、布設(shè)難度大、監(jiān)測面積小、持續(xù)周期短等不足之處。城市更新的對象往往是大規(guī)模的建筑群體,傳統(tǒng)監(jiān)測手段顯得獨木難支,亟須結(jié)合新的技術(shù)手段來滿足監(jiān)測需求。

合成孔徑雷達干涉(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)是一種新型地表形變遙感監(jiān)測技術(shù)[3],尤其是基于InSAR發(fā)展而來的永久散射體合成孔徑雷達干涉測量(permanent scatterers-InSAR, PS-InSAR)技術(shù)[4-5],顯著降低了相位失相干和大氣延遲的影響,具有精度高、范圍大、全天候、周期長、成本低等優(yōu)點[6-8],能有效彌補傳統(tǒng)監(jiān)測手段的不足[9-11]。近年來,空氣污染指標(biāo)(pollutants standard index，PSI)技術(shù)成為城市建筑形變研究的熱點之一：如蘭恒星采用PSI技術(shù)分析了天津塘沽渤海石油新村與東沽石油新村2007—2008年的建筑物沉降特征[12];Yang獲取了天津市地標(biāo)建筑2014年的形變信息,驗證了PSI技術(shù)監(jiān)測大型建筑的準(zhǔn)確性[13];朱茂利用PSI技術(shù)分析了深圳市2013—2018年某地鐵沿線建筑物的穩(wěn)定性[14]。目前,InSAR技術(shù)在城市更新領(lǐng)域的應(yīng)用研究較少,本文選取廣州市白云區(qū)72個舊產(chǎn)業(yè)園為研究對象,利用PSI技術(shù)獲取園區(qū)建筑的沉降結(jié)果,通過計算形變指標(biāo),評估園區(qū)的形變風(fēng)險等級。并以安發(fā)貨運場和慶豐紡織城為例,深入分析了園區(qū)的形變趨勢和原因,最后結(jié)合實地調(diào)查驗證InSAR結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

白云區(qū)位于廣州市中北部,交通發(fā)達,扼廣州市東、西、北交通出口要道,是集空運、鐵路、陸路、水運于一體的物流中心。白云區(qū)的主城區(qū)分布著眾多村級工業(yè)園、老舊物流園、傳統(tǒng)批發(fā)市場等舊產(chǎn)業(yè)園。這些產(chǎn)業(yè)園不僅效率低下,影響產(chǎn)業(yè)升級,且年久失修,園區(qū)建筑易產(chǎn)生形變?yōu)暮?造成墻體開裂、樓板松動、樓體歪斜甚至倒塌,對人民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成威脅,是城市更新的主要對象之一。

圖1 白云區(qū)舊產(chǎn)業(yè)園分布圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

雷達影像來自歐空局的哨兵1號(Sentinel-1),該衛(wèi)星是全球環(huán)境和安全監(jiān)測計劃(global monitoring for environment and security，GMES)系列衛(wèi)星之一。Sentinel-1由a、b兩顆衛(wèi)星組成,運行在同一近極地太陽同步軌道上,軌道高度約700 km,重訪周期12 d。衛(wèi)星主載荷為C波段合成孔徑雷達,極化方式有單極化(HH或VV)和雙極化(HH+HV或VV+VH)，其中，電磁波發(fā)射分為水平波(H)和垂直波(V)，接收也分為H和V 。單極化是指(HH)或者(VV)，就是水平發(fā)射水平接收或垂直發(fā)射垂直接收；雙極化是指在一種極化模式的同時，加上了另一種極化模式，如(HH)水平發(fā)射水平接收和(HV)水平發(fā)射垂直接收。雷達工作模式有條帶繪圖(strip map mode，SM)、超寬幅(extra wide swath，EW)、波(wave mode，WM)、干涉寬幅(Interferometric Wide swath，IW)四種。本文選擇白云區(qū)27幅IW模式Sentinel-1a單視復(fù)數(shù)圖像(single look complex image，SLC)影像,空間分辨率為5 m×20 m,具體參數(shù)如表1所示。

表1 雷達影像參數(shù)

衛(wèi)星精密軌道數(shù)據(jù)能有效去除因軌道誤差引起的系統(tǒng)性誤差,本文采用POD精密定軌星歷數(shù)據(jù),定位精度優(yōu)于5 cm,是目前精度最高的軌道數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)可以用來模擬地形相位和地理編碼,本文采用日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)發(fā)布的AW3D30 DEM,水平分辨率30 m,高程精度5 m,是目前精度最高的全球DEM數(shù)據(jù)。AW3D30 DEM對差分干涉精度的影響小于毫米級,能夠滿足數(shù)據(jù)處理的精度要求。

2 數(shù)據(jù)處理

PSI技術(shù)的基本原理是利用覆蓋同一地區(qū)的一系列合成孔徑雷達(synthetic aperture radar，SAR)影像(一般不少于20幅),通過分析相位和幅度信息,篩選出不受時空基線和大氣效應(yīng)影響的永久散射體(permanent scatterer, PS),再通過一系列建模分析[5],分離出誤差相位,最后得到毫米級別精度的形變量。PSI的具體處理步驟為：

(1)輸入N+1影像,根據(jù)時空基線和多普勒效應(yīng),選擇一幅作為主影像,其他影像作為輔影像。

(2)利用精密定軌星歷數(shù)據(jù)(precise orbit ephemerides, POD)軌道數(shù)據(jù)和AW3D30 DEM將輔影像依次與主影像配準(zhǔn),并生成N幅干涉圖。

(3)利用AW3D30 DEM去除地形相位,進行差分得到N幅差分干涉圖,此時的相位模型為

(1)

式中,φdef為形變相位；φtope為DEM誤差造成的高程誤差相位；φatm為大氣延遲相位；φnoise為其他噪聲相位。

(4)利用振幅離差閾值法識別出一定數(shù)量的候選PS點,振幅離差指數(shù)公式為

(2)

式中,Dα為振幅離差指數(shù)；σα為振幅標(biāo)準(zhǔn)差；μα為振幅平均值；當(dāng)Dα<0.4時,即判定為候選PS點。

(5)構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)[15]連接候選PS點,利用二維周期函數(shù)[5]求出線性形變相位和高程誤差相位。

(6)φdiff去除線性形變相位和高程誤差相位后,殘余相位φres有

(3)

式中，φnl為形變相位中的非線性相位。

(7)利用大氣延遲相位的相關(guān)性,通過空間域低通濾波和時間域高通濾波,分離出大氣延遲相位。

(8)對干涉圖中的所有像素補償大氣延遲相位,將滿足一定時間相干性的點重新判定PS點。

(9)計算所有PS點的形變信息和高程誤差并地理編碼。

3 結(jié)果分析

如圖2(a)所示,共識別72個舊產(chǎn)業(yè)園21 886個PS點,PS點形變值為負表示該點沿遠離雷達視線向形變,為正表示該點朝著雷達視線向形變。整體上看,2019年1月至2021年3月期間,全部PS點的年平均形變速率在-22.51 ～ 11.71 mm/a之間,且大多數(shù)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)的PS點年均形變速率不超過4 mm/a。PS點形變值存在明顯的空間差異,主城區(qū)東北部和白云山兩側(cè)的產(chǎn)業(yè)園內(nèi)形變值較小,主城區(qū)西南部和珠江西航道東側(cè)的產(chǎn)業(yè)園內(nèi)形變值較大,存在明顯的沉降點。

(a)產(chǎn)業(yè)園年平均形變速率圖

參考《危險房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)》JGJ 125—2016相關(guān)規(guī)定,結(jié)合InSAR測量特點及實際經(jīng)驗,以園區(qū)內(nèi)建筑物的最大累計形變量和最大近期形變速率為指標(biāo),對各個園區(qū)進行綜合風(fēng)險評估,并劃分3個風(fēng)險等級：低風(fēng)險,園區(qū)建筑穩(wěn)定,形變風(fēng)險極低;中風(fēng)險,園區(qū)建筑存在形變現(xiàn)象,值得關(guān)注;高風(fēng)險,園區(qū)建筑形變明顯,且存在加速趨勢,亟須進行詳查。

如圖2(b)所示,共發(fā)現(xiàn)52個低風(fēng)險園區(qū),16個中風(fēng)險園區(qū),4個高風(fēng)險園區(qū)。在高風(fēng)險園區(qū)中,安發(fā)貨運場位于許廣高速和華南快速干線交叉口西南側(cè),武廣高鐵貫穿園區(qū)。InSAR結(jié)果顯示：2019年1月至2021年3月,園區(qū)建筑最大累計形變量達到-44.30 mm,最大近期形變速率為-6.07 mm/month,主要形變點分布在園區(qū)的西北部和鐵路兩側(cè),鐵路高架橋基座的承壓可能是造成形變的因素之一。慶豐紡織城位于地鐵8號線石井站附近,監(jiān)測期間園區(qū)建筑最大累計形變量為-36.20 mm,最大近期形變速率為-3.20 mm/month。主要形變點分布在園區(qū)西北部的基坑附近,表明地下空間的開挖影響了周邊建筑的穩(wěn)定性。

為分析安發(fā)貨運場和慶豐紡織城的差異形變情況,分別在兩個園區(qū)選取1棟建筑作為目標(biāo)建筑,再根據(jù)建筑上PS點的累計形變量各選一對PS點作為參考點,進行差異量和傾斜量的計算(圖3)。

(a)安發(fā)貨運場 (b)慶豐紡織城

為避免地面點干擾,選擇參考點時剔除距離建筑物邊緣5 m以內(nèi)的PS點,傾斜量的計算公式為

(4)

式中，TA_B為A、B兩點的傾斜量；dA_ver和dB_ver分別是兩點形變量在垂直方向上的投影；HAB是兩點的水平距離。計算結(jié)果如表2所示,檢測期間：兩棟目標(biāo)建筑的累計傾斜量分別為1.53和1.57 ‰,均低于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB 50007—2011第5.3.4條規(guī)定的2 ‰允許值,說明建筑暫時不存在傾斜安全風(fēng)險;兩棟目標(biāo)建筑的近期差異形變速率都比較大,差異形變會造成建筑的結(jié)構(gòu)性損傷,構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患,應(yīng)盡快開展詳查。

表2 參考點形變信息

為進一步了解目標(biāo)建筑的形變趨勢,對參考點進行形變演化分析(圖4)。安發(fā)貨運場A點在監(jiān)測期間持續(xù)下沉,且近期存在加速趨勢,B點較為穩(wěn)定,形變量在-10 ～ 10 mm之間波動。慶豐紡織城參考點的總體演化曲線主要受基坑施工的影響,A點形變明顯,呈階梯式沉降,B點總體形變較小,自2019年第三季度沉降結(jié)束后,保持穩(wěn)定狀態(tài)。

(a)安發(fā)貨運場參考點形變歷史

實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)：安發(fā)貨運場的目標(biāo)建筑外觀破舊,內(nèi)部墻體存在多條裂隙,裂隙長度達數(shù)米,寬度達到厘米級別;慶豐紡織城的目標(biāo)建筑外部立柱出現(xiàn)了貫穿式裂隙,寬度約10 mm,內(nèi)部也存在多條大裂隙,甚至造成墻體錯位，見圖5。兩棟建筑均存在較大的安全隱患,在一定程度上驗證了InSAR結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 實地調(diào)查圖片

4 結(jié)束語

本文基于InSAR技術(shù),評估了廣州市白云區(qū)72個舊產(chǎn)業(yè)園的形變風(fēng)險,深入研究了安發(fā)貨運場和慶豐紡織城的形變趨勢和原因,并結(jié)合實地調(diào)查驗證了InSAR結(jié)果的準(zhǔn)確性。InSAR技術(shù)以其獨有的技術(shù)優(yōu)勢,可低成本獲取更新片區(qū)建筑群的形變信息,為評估建筑群的保存狀態(tài)提供技術(shù)支持,有助于制定合理的更新改造方案,具有很高的應(yīng)用價值。在今后工作中,針對研究中存在的不足,將在數(shù)據(jù)質(zhì)量和處理方法上加以改進,進一步挖掘InSAR技術(shù)在城市更新領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。