GBInSAR隔河巖大壩變形監(jiān)測試驗

黃其歡,岳建平,貢建兵（.河海大學地球科學與工程學院,江蘇南京 0098；.湖北清江水電開發(fā)有限責任公司庫壩中心,湖北宜昌 443000）

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GBInSAR隔河巖大壩變形監(jiān)測試驗

黃其歡1,岳建平1,貢建兵2
（1.河海大學地球科學與工程學院,江蘇南京 210098；
2.湖北清江水電開發(fā)有限責任公司庫壩中心,湖北宜昌 443000）

摘要:為解決傳統(tǒng)大壩變形監(jiān)測方法僅能獲取點變形信息,且監(jiān)測周期長、勞動強度大等問題,將地基合成孔徑雷達干涉（GBInSAR）變形監(jiān)測新技術(shù)用于大壩變形監(jiān)測。分析GBInSAR變形監(jiān)測系統(tǒng)及其成像特點,建立利用穩(wěn)定參考點進行大氣校正的數(shù)學模型,并應(yīng)用于清江隔河巖大壩監(jiān)測。結(jié)果表明:在距離1300m處大氣擾動誤差可達85mm,雷達視線向大氣擾動是影響GBInSAR變形監(jiān)測精度的主要因素;消除大氣影響后GBInSAR監(jiān)測的壩體變形速率與垂線監(jiān)測結(jié)果一致;大壩表孔泄水閘變形明顯大于壩體變形,且隨水位上升變形量增大。

關(guān)鍵詞:隔河巖大壩;變形監(jiān)測;GBInSAR;IBIS-L;大氣校正;永久散射體

大壩及邊坡穩(wěn)定性問題是當前我國大型水利工程建設(shè)中的一個關(guān)鍵工程技術(shù)難題[1]。傳統(tǒng)的精密水準儀、全站儀以及GPS等大地測量方法僅能獲取單個監(jiān)測點的變形信息,很難滿足水利工程災(zāi)害預(yù)測的實際需要?；谛禽d平臺的SAR干涉技術(shù)受雷達視角、失相干和大氣延遲的限制,無論是常規(guī)SAR干涉法還是更為先進的SAR影像時間序列探測法[2-4]都難以勝任,具體原因有:①SAR影像時空失相干使干涉相位質(zhì)量差,降低變形監(jiān)測的可靠性；②衛(wèi)星重訪周期長,變形監(jiān)測時間分辨率低；③山區(qū)坡度大,容易形成圖像陰影；④星載SAR視角固定,部分變形體無法監(jiān)測到；⑤山區(qū)高差大,大氣延遲誤差大。

近十年來,人們將干涉平臺從空中移至地面,開發(fā)了地基合成孔徑雷達干涉（GBInSAR）變形監(jiān)測新技術(shù),該技術(shù)基于微波主動成像方式獲取監(jiān)測區(qū)域二維影像,能在幾分鐘內(nèi)獲取數(shù)平方公里高精度、高時空分辨率的變形信息,其關(guān)鍵技術(shù)原理見文獻[5]。在國外,gBInSAR技術(shù)已經(jīng)廣泛用于滑坡[6,11]、冰川[12]和大壩[13]變形監(jiān)測中；在國內(nèi),gBInSAR技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用還處于起步階段,相關(guān)的文獻報道還非常少。

本文在分析GBInSAR變形監(jiān)測系統(tǒng)及其成像特點的基礎(chǔ)上,對隔河巖大壩進行GBInSAR變形監(jiān)測試驗,并將結(jié)果與同期的垂線監(jiān)測結(jié)果進行對比。

1gBInSAR成像與變形監(jiān)測

1.1gBInSAR成像

地基SAR系統(tǒng)由雷達傳感器、滑動軌道、計算機和供電模塊組成,圖1為意大利IDS公司與弗洛倫薩大學聯(lián)合研制的IBIS-L（image by interferometirc survey）系統(tǒng),該系統(tǒng)利用安裝在滑動軌道上的傳感器模塊生成、發(fā)射和接收雷達信號,用USB接口連接計算機,通過傳感器在滑動軌道上的滑動產(chǎn)生合成孔徑效果,地基SAR以固定的視角不斷地發(fā)射和接收回波信號,經(jīng)過聚焦處理后形成極坐標形式的二維SAR影像。在影像像元內(nèi),距離向分辨率是固定的,而方位向分辨率與像元夾角及目標距離有關(guān)（圖2）,通過距離向和方位向的結(jié)合,監(jiān)測區(qū)域被分割成若干個二維的小單元,距離越遠,方位向分辨率越低。

圖1 IBIS-L變形監(jiān)測系統(tǒng)

圖2 地基SAR影像分辨率示意圖

由于地基SAR發(fā)射雷達波束,并根據(jù)地表反射回波的接收順序記錄并處理成SAR影像,這樣距離近的反射目標就先被記錄下來,這種成像模式導致了SAR圖像中的透視收縮（foreshortening）、頂?shù)孜灰疲╨ayover）和雷達陰影（shadow）等幾何形變現(xiàn)象,給地基SAR影像解譯造成困難。圖3為這幾種幾何畸變的示例。

1.2 地基SAR變形監(jiān)測

設(shè)地基SAR兩次測量中目標發(fā)生視線向變形dr,考慮到大氣延遲以及測量噪聲的影響,兩次測量的相位差表示為

圖3 地基SAR成像幾何畸變示意圖

式中:Δψ為兩次測量的相位差；λ為雷達波長；Δψa為大氣延遲相位差；ψn為觀測噪聲。

若在變形體附近選取穩(wěn)定的參考點,即dr=0,對該穩(wěn)定點有

選取相干像元,忽略測量噪聲,將式（1）（2）差分即可求出大氣相位,被測目標雷達視線向（line of sight,LOS）形變?yōu)?/p>

2 IBIS-L變形監(jiān)測試驗與結(jié)果分析

2.1 測區(qū)概況與數(shù)據(jù)采集

隔河巖大壩為“上重下拱”重力拱壩,壩頂高程206m,最大壩高151m,壩頂弧長648m；溢流段位于壩的中部,共設(shè)7個表孔,4個深孔和2個放空兼導流底孔,表孔堰頂高程181.8m,尺寸為12m×18.2m；深孔孔底高程134m,尺寸為4.5m×6.5m；底孔孔底高程95m,尺寸為4.5m×6.5m,各孔口均用弧形閘門控制操作。電站廠房位于右岸河灘階地上；左岸是300t級垂直升船機,中間錯船渠長400m,寬30m。

圖4 IBIS-L數(shù)據(jù)采集

IBIS-L采集點位于大壩下游左岸1300m處（圖4）,采用連續(xù)監(jiān)測模式,從2013年7月27日20時到08月2日11時,歷時5 d 14 h 48min。數(shù)據(jù)采集范圍為-45°～45°,距離0～1 299.8m,分辨率分別為0.252°和0.50m,共獲取地基SAR影像1330景。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

考慮到方位分辨率與距離有關(guān),將原SAR影像用極坐標表示,圖5為SAR能量均值影像（其中P1～P4分別對應(yīng)圖4中的A～D區(qū)域）,圖6為影像局部放大圖（其中Pt1、Pt6、Pt12位于壩體上,Pt3、Pt8、Pt14位于表孔泄洪閘上,R為高相干像元）。從圖中可以清晰地解譯出壩體A及7個表孔、右岸電站及邊坡階梯B、左岸升船機及錯船渠D,特別地,位于大壩下游的4排錨樁C反射信號明顯。

圖5 監(jiān)測區(qū)域地基SAR能量均值

圖6 地基SAR影像局部放大圖

變形監(jiān)測干涉處理采用直連組合方式獲取干涉圖,如圖7所示。數(shù)據(jù)處理時像元選擇的質(zhì)量控制標準為:熱噪聲信噪比大于15.0 dB,估計信噪比大于10.0 dB,時間相干系數(shù)大于0.50,相位穩(wěn)定系數(shù)大于0.5。由于影像之間的干涉基線為零,干涉相位包含了監(jiān)測目標雷達視線向的形變、大氣延遲誤差以及觀測噪聲。

圖7 地基SAR影像直連組合干涉方式

圖8為圖5中目標P1～P4的雷達視線向相位時間序列,從中可以看出:①相位變化非常大,變化范圍為-35～50mm；②相位變化在18時左右最小,隨后逐漸增大,在次日0時左右達到最大,并維持到7時左右,隨即急劇減小,至18時達到最小值；③相位變化明顯以1天為周期；④從相位波動幅度看,距離監(jiān)測點最遠的P3波動幅度最大,P1和P4波動幅度最小。

圖8 監(jiān)測點P1～P4相位變化

根據(jù)隔河巖大壩監(jiān)測組提供的大壩中部15號壩段PL15垂線的監(jiān)測數(shù)據(jù),整個監(jiān)測過程中壩體變形量很?。▓D9）,這與IBIS-L的變形結(jié)果相比存在明顯的系統(tǒng)誤差,由于在變形分析中采用了高質(zhì)量的像元,可以忽略相位噪聲對結(jié)果的影響,根據(jù)式（3）,這種誤差是由雷達視線向的大氣延遲隨時間的變化引起。相位變化曲線的日周期性反映了雷達視線向大氣延遲隨氣溫、氣壓及相對濕度的變化,這種變化在1300m的距離上最大可達85mm。另外,大氣擾動與雷達視線向距離有關(guān),距離越遠影響越大。因此,利用GBSAR進行水利工程變形監(jiān)測必須考慮大氣擾動的影響。

圖9 大壩中部PL15垂線169m高程徑向變形與水位關(guān)系

考慮大氣延遲相位在雷達視線向的一致性,選擇穩(wěn)定區(qū)域高相干像元作為參考點,將其他像元與參考點求差以消除大氣影響,為此在大壩右岸靠近壩體的基巖處選取高相干像元R作為參考點,圖10顯示了去除大氣影響后圖6中部分像元的變形時間序列。

從圖10可以看出:①大氣延遲相位消除明顯；②所有點都存在沿水流向的徑向位移,且水位上升時,徑向位移向下游增大；③壩體上點位的變形速率在0.2mm/d左右,明顯小于表孔內(nèi)泄水閘0.6mm/d的變形速率,這說明水位上升時,表孔泄水閘發(fā)生了相對較大的變形；④6 d的監(jiān)測時間內(nèi)壩體總體變形約1.2mm,壩體形變速率與垂線監(jiān)測速率（0.197mm/d）結(jié)果相當；⑤變形序列中還存在較小的周期性大氣擾動。

圖10gBInSAR監(jiān)測的壩體及表孔排水閘變形時間序列

3 結(jié) 論

a.GBInSAR監(jiān)測獲取的是區(qū)域性大面積形變信息,相對傳統(tǒng)單點監(jiān)測信息量更大。

b.影響GBInSAR變形監(jiān)測精度的主要因素是雷達視線向大氣擾動（如氣溫、氣壓和相對濕度的變化）,隔河巖大壩變形監(jiān)測試驗結(jié)果表明,在1300m的距離上大氣擾動的影響可達85mm,其大氣擾動與雷達傳播距離有關(guān),距離越遠影響越大。

c.采用穩(wěn)定參考點法消除大氣影響后,gBInSAR變形監(jiān)測結(jié)果與垂線監(jiān)測結(jié)果一致性較好。

d.采用GBInSAR技術(shù)監(jiān)測的大壩表孔泄洪閘變形量大于壩體變形,且隨著庫區(qū)水位的增長,變形沿水流向逐漸增大。

本文大氣擾動相位僅采用像元間簡單的差分消除法,沒有考慮像元距離的遠近；另外GBInSAR僅能獲取雷達視線向的變形,采集大壩區(qū)域高精度的DTM,將GBInSAR監(jiān)測結(jié)果進行地理編碼將是下一步研究的重點。

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中圖分類號:P237

文獻標志碼:A

文章編號:1006- 7647（2016）03- 0047- 05

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.010

基金項目:國家自然科學基金（41304025）；江蘇省自然科學基金（BK20130831）；國家留學基金（201406715025）

作者簡介:黃其歡（1978—）,男,副教授,博士,主要從事InSAR理論與應(yīng)用研究。E-mail: InSAR@ hhu.edu.cn

收稿日期:（2015- 04 21 編輯:鄭孝宇）

Monitoring ofgeheyan Dam deformation usinggBInSAR technology

HUANG Qihuan1, YUE Jianping1,gONGJianbing2（1.College of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China；2.Reservoir and Dammanagement Center, Hubei Qingjiang Hydroelectric Development Co., Ltd., Yichang 443000, China）

Abstract:To overcome the disadvantages of conventional dam deformationmonitoringmethods, which are high labor intensity, long cycle, and acquiring of only pointwise information, a recently developed technology, calledground-based synthetic aperture radar interferometry（GBInSAR）, was applied to dam deformationmonitoring.Based on an analysis of thegBInSAR system and imaging characteristics, a numericalmodel for atmospheric phase correction using a stable reference point was established and applied tomonitor the deformation of thegeheyan Dam.The results show that at a location of 1 300m downstream of the dam, atmospheric disturbance caused an error of up to 85mm.Atmospheric disturbance interfering with the sight of radars was themain factor decreasing the accuracy of dam deformationmonitoring withgBInSAR technology.After elimination of the influence of atmospheric disturbance, the results of dam deformationmonitoring withgBInSAR technology agreed with plummet observations.The results also show that the deformation of the water releasegate at the surface outlet was significantlygreater than the dam body deformation, and it increased with the rise of the water level.

Key words:geheyan Dam；deformationmonitoring；GBInSAR；IBIS-L；atmospheric phase correction；permanent scatterer