地表载荷作用下MTINSAR城市地面沉降监测及时空多尺度演化规律挖掘

With the rapid development of the city, the impact of ground load on land subsidence is becoming obvious, which affects the urban construction and safety. Studying on the impact of ground load on land subsidence characteristic, revealing contribution of urban ground load to land subsidence and deformation characteristics, mining the pattern of land subsidence trend characteristic are considered of significance to deformation mechanism analysis. Taking the typical area of Beijing city as the research object, high precision extraction of urban land subsidence information is obtained through improving the short baseline INSAR technology and reducing the influence of temporal and spatial coherence. Under the relatively homogeneous condition of hydrological geology, through the spatial and temporal scale transform and correlation analysis to choose the best scale, studying on the relationship between ground load and the trend characteristic of land subsidence, exposing the process of land subsidence considering different height, volume, density and complex degree of ground load, mining land subsidence trend characteristic with the effect of ground load , building hazard risk prediction model of ground load and land subsidence, support for urban spatial uneven settlement risk control and safety early warning decision.

随着城市快速发展，地表载荷对地面沉降作用日趋明显，影响城市建设与安全。着重研究城市地表载荷与地面沉降特征的作用关系，揭示城市地表载荷对地面沉降的贡献量及地面沉降演化规律的影响模式，对地面沉降机理分析具有重要意义。以北京市典型区为研究对象，利用高分辨率SAR影像，改进短基线INSAR干涉测量技术，降低时空去相干影响，实现城市地面沉降信息的高精度提取。通过时空尺度变换及相关性分析，在水文地质条件相对均一的背景下，研究最佳尺度下地表载荷与地面沉降形变特点及演化特性的作用关系，揭示不同高度、体量、密度以及复杂度的地表载荷作用下地面沉降形变过程，挖掘地表载荷作用下地面沉降的演化规律，构建地表建筑物地面沉降风险预测模型，为城市空间不均匀沉降风险调控和安全预警提供决策支持依据。

地面沉降会对城市安全产生潜在的威胁。近年来，随着城市的高速发展和扩张，大量兴建的城市地表建筑等地表载荷影响着城市的地面沉降。北京作为国际大都市，城市的快速发展所引发的地面沉降问题已日趋明显。本项目以北京为研究对象，采用Sentinel-1A、Radarsat-2、TerraSAR-X等多源遥感数据，利用时序InSAR技术对北京市地面沉降进行高精度监测，通过时空尺度变换及相关性分析，研究城市地表建筑载荷与地面沉降的尺度效应相关关系，构建评估模型进行地面沉降危险性评估。项目研究的主要成果：通过SAR影像极化特征和纹理特征的分析，PSO智能算法空间相关性加权改进，DMSP/OLS夜光遥感数据的应用，获取了地表建筑空间分布及变化信息；利用SAR层析技术，采用基于时频分解技术的目标检测和NASFs滤波策略与形态学属性剖面结合的方法，反演、提取了地表建筑体量、密度、复杂度等信息。通过叠掩现象较严重的高建筑密度城区PS点识别、时空三维相位解缠、相位时频滤波、大气相位校正、小基线子集构建等的研究，提出了多种InSAR技术改进方法，实现了InSAR地面沉降高精度监测。研究提出全局Moran’s I指数与多级小波分解相结合方法，分析不同尺度下地表建筑载荷与地面沉降的相关性，揭示了地表建筑载荷与地面沉降相关关系的尺度效应，量化表达了地表建筑载荷与地面沉降时空特征的作用关系。研究利用可识别微小形变的PSI-HCA算法，分析北京地区地面沉降空间聚集程度及不均匀沉降时空特征，挖掘北京平原地区不均匀沉降特性。通过引入沉降梯度作为模型输入变量和被预测变量，改进基于统计模型的地面沉降危险性评估模型，利用地理加权回归和ROC曲线相结合方法确定危险性评估因子和权重系数，实现了不均匀地面沉降区域的危险性评估。项目研究成果可为城市建设和防灾减灾奠定科学基础，为城市风险调控和安全预警提供决策支持依据。