［瑞典］O.E.里爾 等

1 概述

在斯堪的納維亞，隨著監(jiān)管機(jī)構(gòu)和公眾對(duì)大壩的要求越來越高，運(yùn)行已久的大壩安全性變得尤為重要。由于人們對(duì)儀器儀表規(guī)格、測(cè)量精度和監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔要求越來越高，這就需對(duì)傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法加以改進(jìn)，因此改進(jìn)技術(shù)便成為了研究熱點(diǎn)。對(duì)大壩而言，其測(cè)量精度需達(dá)到毫米級(jí)才能確保監(jiān)測(cè)方法的有效性。例如高土壩，一旦建成，第1年就會(huì)以幾分米或幾厘米的速度沉降(沉降速度取決于大壩高度、施工方法、填壓方法、材料和壩基等)。隨后幾年，大壩將以合理的對(duì)數(shù)速度沉降，直到年沉降速度僅幾毫米(或不足1 mm)為止。目前要求每年或每?jī)赡陮?duì)大壩進(jìn)行地質(zhì)監(jiān)測(cè)，以確認(rèn)大壩垂直和水平位移是否正常。大壩任何方向的加速位移，都預(yù)示著發(fā)展態(tài)勢(shì)不佳，據(jù)此可在大壩出現(xiàn)問題之前進(jìn)行有效的處理。

到目前為止，人們一直致力于運(yùn)用成熟的方法來監(jiān)測(cè)大壩，如大地測(cè)量或激光掃描等，但這些方法成本高，效果也很有限。此外，已經(jīng)證實(shí)傳統(tǒng)方法在觀測(cè)水庫邊坡方面的應(yīng)用非常受限，因?yàn)楸O(jiān)測(cè)水庫邊坡可能需要大量的測(cè)量點(diǎn)，且處理偏遠(yuǎn)地區(qū)或地形陡峭地區(qū)的水庫也絕非易事。而現(xiàn)在采用新的測(cè)量技術(shù)，便能擴(kuò)大可選范圍，獲得較為理想的成果。

2 合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InSAR)

在過去的幾十年中，合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)(InSAR)已被證實(shí)在地形位移測(cè)量中是一種非常強(qiáng)大的測(cè)量工具。SAR干涉測(cè)量(合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量的簡(jiǎn)稱)技術(shù)結(jié)合了兩個(gè)(或更多)連續(xù)的復(fù)值SAR圖像。在不同時(shí)間拍攝的兩個(gè)SAR圖像之間的相位差稱為干涉相位，它是幾個(gè)信號(hào)分量的總和，即地形信號(hào)、雷達(dá)視距中的地形變形信號(hào)和大氣環(huán)境差異信號(hào)，見圖1。兩個(gè)SAR圖像之間的相位差有望用來監(jiān)測(cè)毫米至厘米級(jí)的地面變形。

然而，干涉相位測(cè)量會(huì)受各種因素的影響，從而妨礙地表位移監(jiān)測(cè)的進(jìn)行。大氣路徑延遲是主要限制因素，它會(huì)在相位測(cè)量中引入一個(gè)未知的偏差并使時(shí)間相關(guān)性消失，這就使得InSAR相位測(cè)量不可靠，因?yàn)榉直鎲卧蟹稚r(shí)的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生改變。但通過使用多時(shí)相InSAR技術(shù)，結(jié)合多個(gè)SAR觀測(cè)結(jié)果，可在一定程度上減輕這種影響。使用兩個(gè)以上SAR觀測(cè)區(qū)可能會(huì)使測(cè)量冗余，因此可考慮使用更先進(jìn)的時(shí)間序列法。

圖1 InSAR技術(shù)原理

由于衛(wèi)星無法精確重復(fù)其運(yùn)行軌道，衛(wèi)星的兩個(gè)位置之間會(huì)存在一定距離(基準(zhǔn)線B，如圖1中所示)，因此地面上點(diǎn)的高度z不斷變化。InSAR處理過程可通過使用一個(gè)現(xiàn)成的數(shù)字高程模型(DEM)，以達(dá)到忽略信號(hào)影響的目的。若忽略地形影響，則可獲得所需的變形信號(hào)(如果該信號(hào)存在)及一個(gè)由大氣環(huán)境變化引起的信號(hào)分量。在某些情況下，噪音太多而無法分辨出變形信號(hào)，在積雪多、土壤水分變化大或植被茂密的地區(qū)更是如此。因此在冰雪覆蓋的地區(qū)、潮濕的沼澤地和茂密的森林帶，InSAR技術(shù)是無法正常運(yùn)用的。

地面變形大于兩個(gè)分辨單元(像素點(diǎn))之間雷達(dá)波長(zhǎng)(ERS衛(wèi)星約50mm)時(shí)，相位是否可復(fù)原是不可確定的。例如，在重大建設(shè)工程中，受影響的像素點(diǎn)連貫性會(huì)消失。然而，InSAR技術(shù)用不上的地方總會(huì)存在，特別是在工程建設(shè)領(lǐng)域。

進(jìn)行InSAR分析時(shí)，也可同時(shí)獲得連貫性結(jié)果，連貫性可用于測(cè)量干涉相位的穩(wěn)定性。在常規(guī)分析中，人們往往只關(guān)注非常緩慢的變形，也就是說，相位穩(wěn)定性越高，獲得的結(jié)果就越可靠。

研究的結(jié)果是各點(diǎn)的時(shí)間變形序列，每個(gè)點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量都進(jìn)行了測(cè)試，信號(hào)質(zhì)量本質(zhì)上是指連貫性的高級(jí)閾值。一種常用的變形結(jié)果表示方法是為每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的預(yù)估時(shí)間變形序列擬合一條線性曲線，這條線的斜率就等于該點(diǎn)的平均變形速度。本文用的所有InSAR處理過程都是基于NORUT開發(fā)的GSAR軟件完成的。

3 InSAR在大型土石壩中的應(yīng)用

瑞典高125 m的特蘭斯賴特(Tr?ngslet)堆石壩建在厄斯特達(dá)爾河上，厄斯特達(dá)爾河長(zhǎng)30km，沿東南方向穿過瑞典中部的達(dá)拉納省。人們對(duì)該壩進(jìn)行了數(shù)十年的研究，收集了自1961年其建成以來的大量歷史沉降數(shù)據(jù)，但遺憾的是，1988年數(shù)據(jù)采集工作中斷，因此而失去了原先的基準(zhǔn)，新老數(shù)據(jù)就很難聯(lián)系起來，因?yàn)?993～2000年的歷史 SAR數(shù)據(jù)與新數(shù)據(jù)不能完全吻合。

本文分析建立在1993年5月23日至2000年7月23日期間歐洲航天局(ESA)1號(hào)歐洲遙感衛(wèi)星(ERS－1)和2號(hào)歐洲遙感衛(wèi)星(ERS－2)的43個(gè)SAR數(shù)據(jù)(下行軌道，22號(hào)軌道2367幀)的基礎(chǔ)之上。雷達(dá)掃描面積約100km×100km。ERS衛(wèi)星的工作波長(zhǎng)為56.6 mm，雷達(dá)朝向西方(105°)，垂直方向角度約為23°。ERS衛(wèi)星方位角上的空間地面分辨率約為5 m(沿飛行路徑)和20m(垂直飛行路徑方向)。對(duì)于特蘭斯賴特壩而言，這意味著分辨率最低，而位移卻很大(垂直于壩軸線方向?yàn)?0m，平行于壩軸線方向?yàn)? m)。

將一個(gè)面積約7 km×10km的分區(qū)SAR圖像進(jìn)行了處理，重點(diǎn)關(guān)注壩區(qū)?？偣灿?jì)算了241個(gè)干涉圖，使用的空間基線閾值為300m，時(shí)間基線閾值為3 a。采用了2 m高的地面標(biāo)識(shí)的數(shù)字高程模型來消除地形相位的影響，之后進(jìn)行了多次多角度的復(fù)雜觀測(cè)，分別在一定范圍和方位角各觀測(cè)1次和5次，在這兩方向上獲得的像素點(diǎn)的地面分辨率接近20m。由于分析僅僅涉及一個(gè)小區(qū)域，因此可忽略軌道數(shù)據(jù)誤差帶來的緩慢變化的影響。為了排除不相關(guān)區(qū)域的影響并使相位解纏可行，只選擇了相位穩(wěn)定的像素，至少50%干涉圖的相干性在0.25以上。所選擇的大多數(shù)像素與房屋和其他基礎(chǔ)設(shè)施等工程建筑相關(guān)聯(lián)，因此可以作為分析基準(zhǔn)，以確保大壩位移映射的準(zhǔn)確性。干涉圖中所有相干像素通過使用SNAPHU軟件解纏，并最終將解纏數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)輸入到小基線子集(SBAS)時(shí)間序列InSAR算法中。SBAS處理技術(shù)使用解纏干涉圖來過濾掉不需要的信號(hào)，而這些信號(hào)主要是由于環(huán)境的變化和高程模型的誤差所產(chǎn)生。使用空間插值法編寫結(jié)果地理編碼可以提高結(jié)果的可讀性和實(shí)用性。為了與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，需將變形測(cè)量值從視距方向投影到垂直方向，最終找出SBAS處理技術(shù)獲得的地理編碼/可用于地理資訊系統(tǒng)的輸出值與復(fù)達(dá)欣能源公司在特蘭斯賴特壩基于現(xiàn)場(chǎng)基準(zhǔn)的人工觀測(cè)法收集的歷史測(cè)量數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系。

高質(zhì)量的像素點(diǎn)也能很好地覆蓋整個(gè)壩體結(jié)構(gòu)，這些像素點(diǎn)可用于校準(zhǔn)衛(wèi)星圖像，以盡量減少讀數(shù)誤差。InSAR只能夠測(cè)量相對(duì)位移，且必須選擇位移已知的參考區(qū)域以供參考。所有位移都是相對(duì)于相干性高的一個(gè)建筑物上點(diǎn)(緯度61.386725，經(jīng)度13.711330)的相對(duì)值。通過進(jìn)行多次多角度觀測(cè)得到了SBAS－InSAR結(jié)果，其中地面分辨率約20m×20m，再通過插值法，將其定位在10m×10m上。5 m×20m是SAR原始分辨率，與SBAS不相關(guān)。SBAS處理時(shí)預(yù)計(jì)誤差出現(xiàn)在應(yīng)用數(shù)字高程模型中，這個(gè)誤差只會(huì)影響最終定位(地理編碼或落點(diǎn))，因此預(yù)計(jì)精確度的影響不會(huì)很大。

4 歷史測(cè)量數(shù)據(jù)分析

與大多數(shù)土石壩工程一樣，特蘭斯賴特壩在完工之后，必須對(duì)其進(jìn)行密切的監(jiān)測(cè)來確保其安全運(yùn)行。自大壩建成50a以來，在安全監(jiān)測(cè)原則符合當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)之前，由于部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)丟失，監(jiān)測(cè)序列中出現(xiàn)了大量的空白。目前，可用于測(cè)量的可信施工記錄始于1961年，且主要集中于1970，1972年和1988年。1983年出臺(tái)新標(biāo)準(zhǔn)之后，獲取了最后一輪監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，1988年原項(xiàng)目結(jié)題。2003年新的標(biāo)準(zhǔn)再次出臺(tái)，大壩監(jiān)測(cè)工作才在中斷15 a后重新啟動(dòng)。

大量新沉降測(cè)量工作收集了2003，2004，2009年和2010年的沉降數(shù)據(jù)。因?yàn)樵S多原先在施工期間用來衡量沉降的測(cè)點(diǎn)都已損壞或丟失，因此過渡期遇到了一些難題。由于大壩中心上升時(shí)必須開展大量的修復(fù)工作，或由于自然的磨損和斷裂，因此在15 a的中斷期期間，測(cè)點(diǎn)損壞或丟失不足為奇。多年來，壩頂?shù)臏y(cè)點(diǎn)不斷上升，最高的兩條馬道也被回填，靠近壩坡坡底的許多測(cè)點(diǎn)也遭到了損壞。

遺憾的是，2003年以來的大多數(shù)測(cè)點(diǎn)不符合當(dāng)時(shí)的相關(guān)規(guī)定，從而進(jìn)一步降低了成果的可信度?；诖耍柙u(píng)估建立可靠的大壩新基準(zhǔn)和測(cè)點(diǎn)來取代當(dāng)前基準(zhǔn)和測(cè)點(diǎn)的必要性，InSAR研究是評(píng)估這一必要性的項(xiàng)目的一部分。

從2010年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)評(píng)結(jié)果看，現(xiàn)有基準(zhǔn)和測(cè)點(diǎn)的可靠性問題很突出。此次測(cè)評(píng)發(fā)現(xiàn)，某些測(cè)點(diǎn)，特別是2003年之后一些測(cè)點(diǎn)的測(cè)評(píng)結(jié)果表明，大壩會(huì)持續(xù)出現(xiàn)位移，但是這種位移與一般在此類壩中監(jiān)測(cè)到的隨時(shí)間的沉降有所不同。有人懷疑這是新舊基準(zhǔn)的不一致性所致，但由于原先的基準(zhǔn)已經(jīng)丟失，因此該論點(diǎn)無法得到證實(shí)。

有人建議建立新基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)，以驗(yàn)證實(shí)際位移。但是，這將需要花幾年時(shí)間來觀測(cè)大壩，以驗(yàn)證是否確實(shí)存在持續(xù)的位移，或者驗(yàn)證測(cè)量值是否與新舊基準(zhǔn)之間的偏差及人工讀數(shù)誤差有關(guān)。經(jīng)徹底檢查編錄的全部位移數(shù)據(jù)之后，根據(jù)可用性、目測(cè)情況及歷史記錄數(shù)據(jù)的一致性，從原先測(cè)點(diǎn)和新的測(cè)點(diǎn)中挑選出了13個(gè)測(cè)點(diǎn)。由InSAR分析趨勢(shì)線中新舊數(shù)據(jù)集之間的相關(guān)性證實(shí)了在預(yù)期值和記錄值之間存在系統(tǒng)誤差。圖2描述了這種不一致性，之前在2010年大地測(cè)量數(shù)據(jù)的分析中也監(jiān)測(cè)到了這種不一致性。趨勢(shì)走向曲線，不僅可用于描述其他大型堆石壩中監(jiān)測(cè)到的沉降模式，還可使觀測(cè)到的跳躍值可視化。

圖2 歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與InSAR數(shù)據(jù)的擬合

圖2綜合了InSAR歷史數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)，In－SAR數(shù)據(jù)顯示的是相對(duì)位移趨勢(shì)，而不是絕對(duì)位移趨勢(shì)。由于InSAR測(cè)量數(shù)據(jù)與第一顆人造地球衛(wèi)星圖像一致，因此應(yīng)將初始數(shù)據(jù)與1988年的歷史測(cè)量值綜合起來，因?yàn)檫@些測(cè)量值是公認(rèn)最可靠的，而且更重要的是這些測(cè)量值與大壩的原始位移有關(guān)。綜合這些數(shù)據(jù)的另一個(gè)原因是，最可能出臺(tái)的新基準(zhǔn)將用于測(cè)量相對(duì)位移，而不是絕對(duì)位移。

5 結(jié)果分析

位移加速觀測(cè)表明:2003年后讀取的數(shù)據(jù)與InSAR技術(shù)分析結(jié)果不一致。如圖2所示，InSAR數(shù)據(jù)與起初的沉降測(cè)量數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致。該圖中選取的新測(cè)量值更大，這表明相比舊基準(zhǔn)，新基準(zhǔn)在同一高度參照體系中無相關(guān)性，因此原始測(cè)量中使用了更舊的且不相關(guān)的參照體系的假設(shè)似乎是成立的。新基準(zhǔn)很可能與初始讀數(shù)之間無任何聯(lián)系，因?yàn)樾禄鶞?zhǔn)旨在測(cè)量相對(duì)位移，且舊基準(zhǔn)似乎在建立新基準(zhǔn)之前就已經(jīng)丟失了。為研究壩體完工后的位移變化趨勢(shì)，需測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)位移。

目前正在進(jìn)行深入調(diào)查，以確定并記錄新舊基準(zhǔn)之間的關(guān)系。這次深入的人工調(diào)查包括調(diào)查原基準(zhǔn)的應(yīng)用領(lǐng)域。如果能找到舊基準(zhǔn)應(yīng)用領(lǐng)域，則將開展校正工作，將這些應(yīng)用領(lǐng)域相互關(guān)聯(lián)并建立其與當(dāng)前基準(zhǔn)體系的關(guān)系。

某些測(cè)點(diǎn)人工觀測(cè)讀數(shù)所顯示的位移加速變化趨勢(shì)可能與1983年和2003年新基準(zhǔn)的建立有關(guān)，因?yàn)?988年的位移讀數(shù)顯示了非下降位移。除此之外，對(duì)歷史數(shù)據(jù)產(chǎn)生重大影響的因素有兩個(gè)。1988年之后的讀數(shù)是用全站儀而不是水準(zhǔn)儀測(cè)量的，出現(xiàn)高度測(cè)量誤差達(dá)7 mm的測(cè)點(diǎn)是可能的，加上調(diào)節(jié)振幅較大且測(cè)量時(shí)間與水庫位移變化趨勢(shì)無關(guān)聯(lián)，這些都意味著歷史數(shù)據(jù)存在很大的不確定性。

InSAR測(cè)量數(shù)據(jù)與預(yù)期一樣同趨勢(shì)曲線吻合。InSAR分析結(jié)論是有用的，因?yàn)樗赡芸梢宰C實(shí)2010年分析得出的不同基準(zhǔn)體系之間的不一致性猜測(cè)。還可以進(jìn)一步推斷的是，大壩位移與預(yù)期趨勢(shì)線一致，但這并不能反映2010年將新舊測(cè)量點(diǎn)綜合進(jìn)行分析時(shí)得出的位移加速的結(jié)果。

6 InSAR應(yīng)用潛力及其局限性

從試點(diǎn)研究結(jié)果來看，InSAR技術(shù)似乎有望滿足地面位移監(jiān)測(cè)中有關(guān)大壩安全的要求，因?yàn)樗暇纫?，且具備傳統(tǒng)方法無法比擬的優(yōu)勢(shì)。In－SAR技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)概述如下。

(1)無需到達(dá)測(cè)量區(qū)就可以較高精度測(cè)量某一給定點(diǎn)相對(duì)一個(gè)參考區(qū)的位移。

(2)不會(huì)受當(dāng)?shù)鼗鶞?zhǔn)或測(cè)量點(diǎn)質(zhì)量或損壞情況的影響，不受測(cè)量點(diǎn)的凍脹、意外損壞或其他人為因素的影響。

(3)如果可獲得調(diào)查區(qū)的歷史衛(wèi)星數(shù)據(jù)，則可得到過去20～25 a的歷史變形數(shù)據(jù)，這使得填補(bǔ)歷史人為讀數(shù)數(shù)據(jù)空白成為了可能。

(4)可驗(yàn)證其他觀察法獲得的歷史數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)及校準(zhǔn)不同儀器的測(cè)量數(shù)據(jù)。

(5)覆蓋面積較大，使用戶能看到更大區(qū)域的變形狀況。

(6)空間分辨率高。

(7)商業(yè)化的衛(wèi)星系統(tǒng)重復(fù)周期長(zhǎng)(4～24 d)，可以以合適的成本進(jìn)行頻繁更新。

當(dāng)然，InSAR技術(shù)也有上文所述的一些劣勢(shì)，概述如下。

(1)大壩多建于偏遠(yuǎn)山區(qū)，氣候條件變化快。積雪和茂密的植被可能會(huì)限制可獲得的衛(wèi)星圖片數(shù)量，從而減少可獲取的可靠數(shù)據(jù)。對(duì)于瑞典等北部地區(qū)，其地形可能會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)陰影和定格，從而屏蔽掉部分需探測(cè)的區(qū)域。不過也可從其他角度來獲取數(shù)據(jù)，或許可彌補(bǔ)上述不足。

(2)一個(gè)通路的重復(fù)時(shí)間至少為4 d，而且還因衛(wèi)星而異，如果需要對(duì)某些區(qū)域進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，該方法可能失效。

(3)衛(wèi)星雷達(dá)視距會(huì)降低某些大壩(位移)方位的監(jiān)測(cè)靈敏度，但這一情況在某種程度上可以通過同時(shí)獲取上行下行軌道數(shù)據(jù)來緩解。南/北方向上，受衛(wèi)星極地軌道影響，(水平)位移靈敏度最低。

在進(jìn)行該研究之前，除了有待確定成本和性能之外，還需要指出的是，上述劣勢(shì)并非InSAR方法所特有，因?yàn)榉e雪覆蓋也會(huì)影響大部分傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)精度，但隨著衛(wèi)星圖像質(zhì)量的提高以及新衛(wèi)星和傳感器應(yīng)用于軌道上，監(jiān)測(cè)精度極具提高的潛力。

從試點(diǎn)研究結(jié)果看，InSAR技術(shù)似乎很適合用于監(jiān)測(cè)大壩安全。盡管此前很少有人去系統(tǒng)地嘗試構(gòu)建監(jiān)測(cè)大壩的方法，但2011年挪威斯瓦特范(Svartevann)壩的試點(diǎn)研究就是這樣一種嘗試。該研究揭示了InSAR方法的應(yīng)用潛力，但未能用人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)或基準(zhǔn)去驗(yàn)證所記錄的位移。雖然特蘭斯賴特壩分析確實(shí)對(duì)于了解InSAR方法提供了有用信息，但由于歷史數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)的不一致性，它沒能完全驗(yàn)證InSAR技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度。因此對(duì)歷史測(cè)量點(diǎn)讀數(shù)精度得到驗(yàn)證的大壩進(jìn)行分析是有必要的。

7 結(jié)語

本文研究結(jié)果表明，InSAR測(cè)量技術(shù)精度足夠用于大壩壩坡的監(jiān)測(cè);分辨率低的ERS－1和ERS－2衛(wèi)星歷史數(shù)據(jù)可用于填補(bǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)上的空白，且可進(jìn)一步作為質(zhì)量控制器，檢測(cè)現(xiàn)有人工測(cè)量數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)中的不足。

目前商業(yè)化的衛(wèi)星，如TerraSAR－X衛(wèi)星，其分辨率高達(dá)1 m×1 m(聚光燈模式)及3 m×3 m(條帶式模式)。正在進(jìn)行中的下一階段試點(diǎn)研究的研究對(duì)象是瑞典和挪威的4座大型壩。屆時(shí)將利用X波段(TerraSAR－X)和C波段(ERS－1/2，Enivsat ASAR和RADARSAT－2)圖像跟蹤這些大壩的沉降情況，從而建立該技術(shù)的可信度。該研究的長(zhǎng)期目標(biāo)是通過替代當(dāng)前的人工沉降觀測(cè)，在提高大壩安全性的同時(shí)降低成本。