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2015年12月9日

中大太空所雷達衞星遙感技術評估城市基礎設施安全研究取得新進展

香港中文大學太空與地球信息科學研究所(中大太空所)所長林琿教授領導的研究小組利用最新研發的「雷達衞星遙感技術」,檢查城市基礎設施的結構安全狀況,並提出預警信息。這有助政府部門及時採取應急和修補措施。該研究得到香港政府創新科技署與洪都國際發展有限公司的資助。

基礎設施的結構安全對市民的生命及財產十分重要,但自然和人為因素(如土壤鬆軟、過度抽取地下水、地下建設、非法改建等)所引起的地面沉降和結構形變正在威脅著城市基礎設施結構。根據中國地質調查局評估,中國近40年來,因地面沉降造成的直接經濟損失超過3,000億元人民幣,另外,根據廣東省地質局的調查報告,截至2003年珠江三角洲區域由地面沉降引起的直接經濟損失達100億元人民幣。在香港,填海工程、隧道工程及高樓大廈的重量都可能會造成設施結構的異常形變,有必要對基礎設施作長期及定期的監測。然而,香港的城市密度及多雲多雨天氣都增加了形變監測的難度,因此我們需要一項更穩健及經濟的監測方法。

中大太空所利用合成孔徑雷達衞星的遙感影像,定期收取城市基礎設施(例如︰房屋、公路、橋樑、大壩、機場、隧道、鐵路、地下水管、輸油、輸氣管道)的形變信息,預警威脅結構安全的潛在危險。衞星採用「雷達層析成像技術」(SAR tomography, TomoSAR),類似醫學上使用的電腦斷層掃描(Computed Tomography,CT),可掃描更清晰的影像。

為了實現大範圍的同步監測,中大太空所也在「雷達層析成像技術」的基礎下,開發了「永久散射體干涉技術」(Tomo-PSInSAR)。此技術採用更加靈活的構網方式、穩健的估計方法、非線性形變模型及超分辨率層析成像。在高分辨率影像(TerraSAR-X或COSMO-SkyMed)的支持下,實現毫米級的形變提取精度和米級的高度提取精度,有助監測市區的複雜形變。此技術無需安裝設備,更具經濟效益。

林琿教授表示︰「本方法不但適用於監測香港基礎設施的結構安全,也可以推廣到其它城市採用。透過定期監測,各城市可建立基礎設施的檔案,評估其結構的健康狀況,並提高我們對基礎設施動態變化機制和與環境相互影響機制的科學認識。中國與不少亞洲國家不斷城市化,我們不應該忽視潛在的地質災害和相關基礎設施的安全隱患。政府需要負起責任,建立健全城市基礎設施的檔案,防患於未然。」

中大太空所所長林琿教授(中)與研究團隊討論填海型飛機場飛行區的地面沉降監測方法。

樓房高度。每一個點代表一個測量點(既有高度信息又有形變信息),圖中顏色代表高度信息,範圍是:0 m (紫色) - 300 m (紅色)。

船灣大壩的形變。顏色代表2008年5月到2013年3月雷達視線方向上的形變速度,範圍是:-2.5 mm/year (紅色) - 1.5 mm/year (紫色)。

香港國際機場的形變。顏色代表2008年10月到2009年12月垂直方向上的形變速度,範圍是:-25 mm/year (紅色) - 25 mm/year (紫色),其中紅色代表沉降。 機場沉降的三維動態效果可參照:http://www.iseis.cuhk.edu.hk/eng/news/20151027.htm。


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