利用InSAR持续性散射体绘制地质、地下资源开发和城市发展之间的相互作用:意大利佛罗伦萨20年的变化外文翻译资料

 2022-02-25 10:02

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利用InSAR持续性散射体绘制地质、地下资源开发和城市发展之间的相互作用:意大利佛罗伦萨20年的变化

作者：Fabio Pratesi , Deodato Tapete , Chiara Del Ventisette , Sandro Moretti

关键词：城市动力学；城市增长；结构稳定性；城市地质灾害；星载合成孔径雷达；佛罗伦萨

摘要

城市的扩张和转型正在世界各地日益成为现实。现在比以往任何时候都更有必要理解和绘制沿着城市的垂直和水平方向发生的过程，以收集强有力的证据，支持可持续管理的建设环境的战略。本文探讨了如何将已建立的持久散射干涉测量(PSI)技术转化为一种新的用于检测垂直和水平城市动态的专用程序，包括:城市空间的使用和再利用(新建建筑、有意设计、改造项目);地下水资源开发(诱发地面沉降);新地基、浅层沉积物和基岩地质之间的相互作用(近期建筑物的沉降);影响沉降建筑物的地基及斜坡不稳;易感性的遗产资产结构破坏;规划主要基础设施建设(隧道和交通网络)之前的线路特征。意大利中部的佛罗伦萨被用作一个示范点。这座城市包括联合国教科文组织世界遗产名录的历史中心、20世纪的住宅、工业和城市周边地区，目前正在向拥有100多万居民的大都市地区过渡。速度分解图是根据从卫星c波段雷达图像的完整档案的PSI处理中检索到的地表位移毫米精确估计生成的，包括79个ERS-1/2下降(1992年e2000年)、70个ENVISAT ASAR上升和下降(2003年e2010年)和101个RADARSAT-1上升和下降(2003年e2007年)。警报区域最终地图上的12个宏观模式和84个微观模式突出了反映佛罗伦萨自然和城市地理的二元论。西北和西南地区是新建建筑和改造项目的热点地区，主要用于住宅、商业和第三产业，此外还有地下水开采和诱发地面沉降等问题，沉降幅度高达30e40毫米/年。本地交互与底层通用电气——科学和自然边坡不稳定过程主要集中在南部和东北部的行业。在当地规模,稳定状态被发现对传统资产的追踪和建筑物位于地铁铁路和电车,计划与运动率平均在plusmn;1.5毫米/年和局部变形仅3.5毫米/年。基于未来PSI监测运动的结构评估将受益于这一基线特征

1.介绍

城市是随着时间的推移而变化的重要的人为环境，对居住社区的需求，以及他们对当地自然环境和资源的利用。所涉及的过程包括:与基岩地质和浅层沉积物的相互作用来放置建筑物的地基;利用甚至重塑地貌和地形环境，为新的建筑、基础设施和隧道创造空间;开采地下和地下水以供应建筑材料和水。

关键术语和缩写词：

警戒区域划分为移动PS的模式和观测到的不稳定区域的映射

ICC,a：表示建筑物周围地区稳定状况的保护临界性指数

ICC,o：建筑物的保护临界性

ICI：表示建筑物PS覆盖程度的信息的完整性

几个移动PS到单个移动PS的变形组通常对应于建筑物的局部损坏部分

指覆盖广泛地区的，如城市的一个区域

通过对PS位移图的分析，实现了城市动态预警区域图的个性化

通过对多时段PS位移图的比较，揭示了城市区域扩张/改造的演化图

相同的移动群体，包括单个建筑物或小群建筑物

PS：雷达散射体，雷达目标在地面上，估计其位移

PSA：A时期位移地图的雷达采集

PSB：B时期位移地图的雷达采集

PSI：持久散射干涉法速度分解图位移图，其中PS按速度分类

Vlim：速度限制用来区分移动和稳定的PS

这些城市动力虽然主要影响城市的垂直维度，但也表现在城市的横向上，表现在城市的扩张、建筑的建设和改造、空地和荒地的开发等过程中。

目前，发达国家和发展中国家的一些城市都经历了这种动态的转型(如Romero-Lankao amp; Dodman, 2011)。在历史悠久的城市中心，这种过渡通常会增加与结构和/或地质不稳定、建筑遗产的维护和基础设施的管理有关的现有问题。

在适当的尺度上绘制城市动态是至关重要的(Esch et al.， 2014;苏，肖，张，2012;Zhang amp; Seto, 2011)。从业者已经认识到发展包括遥感在内的技术对监测城市化的战略重要性(Dewan amp; Yamaguchi, 2009;哈斯，福伯格，amp;班，2015;Kontgis等，2014)，跟踪土地覆盖和不透水表面的变化(Castrence, Nong, Tran, Young， amp; Fox, 2014)，《发展中国家城市规划的指导策略》(Faour amp; Mhawej, 2014;Saksena等，2014)。但是，这些技术如何能够帮助绘制地质、地下资源开发(例如地下水开采)和地表城市发展之间的相互关系仍然需要专门的研究。

利用雷达数据应用于城市地理应用的有限和过时的城市地理文献(Stabel amp; Fischer, 2001;本文旨在提出一种基于干涉合成孔径雷达(InSAR)的多尺度、多时间方法，即粒子持续散射干涉术(PSI)，来检测和绘制垂直和水平城市动力学表面可见的效应。

已有大量发表的研究表明，从PSI获得的位移时间序列如何能够有价值地用于地表测量，以推断地质和人为因素对广泛城市地区的影响(如Chatterjee et al.， 2006;(如Cigna, Lasaponara, Masini, Milillo， amp; Tapete, 2014c, 2012);Stramondo等，2008)。最近的贡献已经探索如何利用20多年的坐的广泛可用性- ellite雷达观测从过去的(例如ERS-1/2, ASAR环境和RADARSAT-1)和新任务(例如RADARSAT-2, COSMO - SkyMed)遗留数据集和增加目录,分别监测城市和大城市的进化(信诺、约旦、贝特森,麦科马克amp;罗伯茨2014 b;Samsonov等，2014)。但迄今为止，还没有专门针对开发工作流程的研究:对PSI估算进行分类;在城市规模上绘制地图产品，显示所观察到的图案的空间分布;用这张地图来研究城市历史的地理分布;在单个建筑物的层次上，将观察到的模式归因于原因因素。

正是这种方法及其在复杂多变的城市环境中的应用，形成了本文的研究重点。通过佛罗伦萨市的示范区讨论了城市动态的目录。这是意大利人口最多的10个城市之一，也是目前两个城市灵魂共存的一个例子:一个被联合国教科文组织列入《世界遗产名录》的历史城市中心，以及一个扩大到100多万居民的大都市地区。佛罗伦萨目前所经历的过渡的复杂性也是由于所涉及的城市动态的广泛范围，建筑种类和遗产的多样性，以及影响建筑环境的地质灾害的范围。为了在空间和时间维度上捕获这些多个进程，我们使用了一系列PSI数据集，从1992年到2010年对城市动态的持续报道。

2.材料和方法

2.1.永久散射体干涉法(PSI)

PSI是基于多干涉图处理从星载微波传感器获得的长叠SAR图像(如果每月收集至少15e20张);以天为频率采样数十次)，提取地面上人造物体的位置和露头等自然特征，并及时构造它们的位移(Crosetto, Monserrat, Jungner， amp; Crippa, 2009)。输出由稀疏集点(Persis- tent散点e PS)组成，每一个点都提供一个LOS位移与时间的时间序列，即一个图，其中每个点都是在获得给定日期(tapestry te, Fanti, Cecchi, Petrangeli， amp; Casagli, 2012, 2015)沿卫星瞄准线(LOS)测量的雷达目标的位移。较短的卫星重复周期允许检索更密集的时间序列。在本研究中使用的ERS-1/2、ENVISAT和RADARSAT-1传感器中，每35至24天提供连续的位移估计。

这些估计数是相对于一个稳定的参考点，该参考点的物理位置是根据地质因素假定的，或通常通过GPS档案记录加以证明。在处理至少50幅SAR图像的情况下，对于距离参考点不到2 km的每个PS，单次位移估计的定量不确定度范围在plusmn;2e5 mm之间。处理的图像堆栈越长，位移估计就越准确。虽然检测小位移的灵敏度在SAR图像条带的近距离和远距离之间存在差异，但这是可以忽略不计的，人们普遍认为图像中心的灵敏度适用于图像的整个条带。

在像素单元的分辨率范围内，PS重心的物理位置与高度后向散射的物体或自然特征相对应，这些特征是相干的，在整个采集期间保持恒定的反射率特性，因此可以进行精确的位移测量。这种情况是PS生成的必要条件，否则就会受到抑制，因为它发生在植被繁茂的地区，或者当图像场景在两个连续图像之间发生显著变化时。

为每个PS提供坐标和高程，最近的研究证明了PS地理定位对建筑及其部分空间属性的可靠性(Tapete, Morelli, Fanti， amp; Casagli, 2015)。在人口密集的城市地区，这是一个需要考虑的重要方面。反射器(城市目标是理想的雷达反散射体)的丰富性和接近性导致每平方公里PS的高密度(从数万PS/km2到数千PS/km2)。此外，与GPS和光学水准测量等技术相比，PSI还具有其他重要的优势，即自上世纪90年代初以来(ERS- 1/2)、2000年以来(ENVISAT和RADARSAT-1/2)的中分辨率(25e30米)SAR数据的可用性，以及100公里范围内的广域覆盖，足以对大型城市和大都市区提供全面的覆盖。

在与每个PS相关的所有信息中，我们在本研究中使用了以下两个属性:(1)存在性，即在这种情况下，PS是在地面上的一个物体上永久识别的，还是在从太空进行观测期间不连续地识别的;(2)位移时间序列。

证明在上述引用InSAR文学,由不同卫星传感器数据栈ac -笔替代性和/或从不同的轨道不提供相同的PS集,即使他们处理相同InSAR算法和在相同条件下的空间资源——全局时间覆盖率和图像采样频率。所识别的PS实际上是由所采用的LOS几何形状和相关的后向散射机制决定的。

2.2危险等级的评定方法

城市动力学通常出现在PSI位移图中，作为一组移动PS（以下称为“模式”），其扩展和形状与检测到的现象的性质相关（例如，沉降影响整个城市部分，而新基础土壤的整合受到限制到最近建设的地区）。

为了克服已知的PSI限制（解释的主观性，PS的盐和胡椒分布以及受噪声影响的相关速度估计，存在无关PS），我们将每个PS集分解为速度类并在#39;速度分解中显示它们地图#39;（图。1).不显示速度值低于阈值V林 的PS，因为它们被分类为稳定对象。V林 根据雷达传感器的特性建立，特别是与所采用的波长相关的最小可检测位移。为了本研究的目的，V林 取值为plusmn;1.5 mm / yr，与广泛的InSAR文献一致（科莱桑蒂amp;Wasowski, 2006年;里吉尼潘乔利amp;卡萨利，2012年).

模式（“警报区域”）以映射比例描绘，不仅取决于图像的分辨率，还取决于图像的分辨率。模式本身的大小。在本文中，绘图比例高达1：2500（在更大的尺度上，发现微图案不易识别）。

警报区域使用“宏”，“微图案”和“局部变形”这一术语进行分类Tapete和Cigna（2012a）和Tapete和Cigna（2012b）通过一些修订来最好地表示与城市动态相关的模式的规模和形状。

Macropattern被定义为在区域（通常是城市的一个区域）上扩展的警报区域，其特征在于与PS数据集覆盖的区域的其余区域相比的移动PS的集中以及较低的稳定PS密度。运动是单向的，并且警报区域内的所有物体显示相同或几乎相同的位移趋势，沿着LOS朝向（隆起）或远离（下沉）卫星。Macropatterns通常对应于广泛延伸的现象。例如人为或自然沉降，大型滑坡，内陆地区土壤的压实或最近从海上开垦的沿海土地。

使用与宏观相同的基本原理绘制微图案模式，但它们的范围仅限于单个结构或小组建筑物。尽管运动的具体强度和相关后果通常高于Macropatterns，但影响微图案内点的变形现象通常是由于局部现象，例如轻微滑坡，挡土墙失效，隧道挖掘，近期建筑物的沉降，桥梁或道路，落水洞，即将发生的结构故障。

隔离的PS簇，通常称为结构的一部分，被归类为局部变形，并且通常识别由于结构失效导致的损坏，非结构元件（例如阳台）的退化，非常局部的地面不稳定性。值得一提的是，局部变形的检测可能具有挑战性，有时只能通过地面实况验证来解决，因为个别PS可以通过诸如天线或相邻灯杆之类的不相关物体的位移来产生（参见图2）。Pratesi, Tapete, Terenzi, Del 风机,amp;Moretti, 2015年;塔佩特amp;Cigna, 2012a).

PS分类索引Pratesi等人。（2015）用于评估个别建筑物的结构健康状况（图。1).对于每个建筑物，PS的密度和变形率分别被转换成称为信息完整性指数（I词）和保护临界指数（I复写的副本）的分类指数。虽然我词 从A到E评分表明个别建筑物的PS覆盖率最差，但是较低的I复写的副本 等级表示更糟糕的建筑结构条件。

实际上，一旦在速度分解图中识别出一个模式，为了将评估缩减到单个建筑的水平，我们将多边形条目与属性边界和它们的缓冲区相交，其中PS属于模式，我们提取我词 和我复写的副本 索引。当PS对财产的覆盖程度足够时（即从C到A的Ici得分），降尺度是可行和可靠的。

2.3.城市演变的映射

据我们所知，InSAR文献没有研究PS的存在与否的系统使用作为城市变化的数值指标。缺少测量点通常被视为InSAR技术的限制，用于变形分析（例如，巴特森, 西尼亚, 布恩,amp;播种，2015年;Cigna, Bateson, Jordan,amp;达什伍德，2014a虽然有必要发现在观察期间不一致的城市环境中的区域，例如正在建设，拆除或翻新的区域。这些都是显着的修改当地城市地形和

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