基于多平台MT-InSAR的上海海堤形变监测及失效风险评估

作     者：唐茂川 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵卿

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：MT-InSAR 海堤形变监测 形变分解 海堤失效 风险评估 

摘      要：沿海地区是人类活动最集中、最活跃的区域,也是中国社会经济发展的核心区域,在全球气候变化引起海平面抬升和台风风暴潮频发的背景下,其洪涝风险正在增加。防洪海堤作为上海这个超大城市最重要的安全屏障,可以极大降低洪灾风险。但若发生海堤失效事件（溃堤、漫堤）,会导致海水迅速侵入并发生洪涝,对沿海社区和重要基础设施产生巨大影响。防洪海堤长时期不均匀形变会导致堤坝高度降低,进而影响其稳定性与安全性,减弱其防护能力,增大漫堤风险;严重的不均匀形变还会引发堤坝断裂,增大溃堤风险。实现大范围、高精度、周期性海堤形变监测,对及时掌握海堤稳定性和其风险评估至关重要。传统形变监测方法,如水准测量和GPS测量,具有监测成本高、监测结果离散的缺点。多时相合成孔径雷达干涉测量（Multi-temporal In SAR,MT-In SAR）是新近发展的地表形变监测方法,可以获得海堤线状区域上的连续形变信息,监测精度达到毫米级。最新发展的最小加速方法（Minimum Acceleration Approach,Min A）能够融合多平台的MT-In SAR形变时序获得监测目标的二维（垂直向、东西向）形变场。Min A方法融合后得到的形变分量精度高,并且该算法是在后处理阶段进行多平台形变时序融合,实用性佳。本文以上海为研究区,基于2018年至2021年成像的167景升轨Sentinel-1影像和78景降轨COSMO-Sky Med影像,利用MT-In SAR方法分别反演了两个卫星平台视线向（Line of Sight,LOS）形变时序结果。进而利用Min A方法融合了两个卫星平台的形变时序,获取了上海市沿海区域二维形变速率场,提取了海堤所在像元的形变速率值后,得到海堤在垂直和东西方向的形变速率。发现沉降主要发生在上海东部新成陆区,其中浦东机场第5跑道及外围海堤沉降最为显著,年平均速率达到了20 mm/year。本文将海堤分为40个长度为2 km的单元,利用海堤形变信息,并结合极值水位数据,计算出各段海堤的漫堤概率和表征溃堤概率的溃堤指标。海堤失效概率结果显示,上海南部海堤总体上具有更高的漫堤和溃堤概率。本文还利用LISFLOOD-FP水动力模型进行了各段海堤失效情景下,100年一遇洪水的危险性评估。永久散射体是在雷达影像中后向散射强且随时间稳定（不受时间、空间去相关和大气延时影响）的点,基于方位向光谱分割算法（Azimuth Split-spectrum Algorithm,ASS）并设置相干阈值0.35,提取出在上下多普勒频带都具有相干性的永久散射体（即高相干点）。高相干点主要分布在人工建筑区域,将高相干点密度（单位格网内高相干点数量）作为易损性指标,估算了海堤失效后洪水引起的潜在损失。整体来看,上海南部海堤失效后的淹没面积相对较小,但淹没区内高相干点密度更高,因此海堤失效可能造成的损失更严重。东部海堤失效导致的淹没范围更大,表现为滴水湖到浦东机场沿岸发生连续洪水入侵,但由于淹没区内的耕地、水体和湿地面积大,而人工建筑面积小,评估出的潜在损失较小。本研究将海堤失效风险分为高、较高、中、较低、低五级。高风险段海堤出现在上海南部,而东部海堤失效风险处于中等及以下水平。其中,上海南部芦潮港附近的第6段海堤,漫堤和溃堤风险都相对较高,通过淹没时序分析,发现该段海堤失效后海水先迅速由南向北扩散,再朝东西两侧扩散。淹没区内高相干点密度和建筑物密度两个指标的相关系数为0.96,证明了高相干点密度指标在表征人工建筑分布时的可靠性和替代性。