黃其歡,岳建平,貢建兵（.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 0098；.湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司庫(kù)壩中心,湖北宜昌 443000）

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GBInSAR隔河巖大壩變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

黃其歡1,岳建平1,貢建兵2
（1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210098；
2.湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司庫(kù)壩中心,湖北宜昌 443000）

摘要:為解決傳統(tǒng)大壩變形監(jiān)測(cè)方法僅能獲取點(diǎn)變形信息,且監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題,將地基合成孔徑雷達(dá)干涉（GBInSAR）變形監(jiān)測(cè)新技術(shù)用于大壩變形監(jiān)測(cè)。分析GBInSAR變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其成像特點(diǎn),建立利用穩(wěn)定參考點(diǎn)進(jìn)行大氣校正的數(shù)學(xué)模型,并應(yīng)用于清江隔河巖大壩監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明:在距離1300m處大氣擾動(dòng)誤差可達(dá)85mm,雷達(dá)視線向大氣擾動(dòng)是影響GBInSAR變形監(jiān)測(cè)精度的主要因素;消除大氣影響后GBInSAR監(jiān)測(cè)的壩體變形速率與垂線監(jiān)測(cè)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(cè);GBInSAR;IBIS-L;大氣校正;永久散射體

大壩及邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題是當(dāng)前我國(guó)大型水利工程建設(shè)中的一個(gè)關(guān)鍵工程技術(shù)難題[1]。傳統(tǒng)的精密水準(zhǔn)儀、全站儀以及GPS等大地測(cè)量方法僅能獲取單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形信息,很難滿足水利工程災(zāi)害預(yù)測(cè)的實(shí)際需要?；谛禽d平臺(tái)的SAR干涉技術(shù)受雷達(dá)視角、失相干和大氣延遲的限制,無(wú)論是常規(guī)SAR干涉法還是更為先進(jìn)的SAR影像時(shí)間序列探測(cè)法[2-4]都難以勝任,具體原因有:①SAR影像時(shí)空失相干使干涉相位質(zhì)量差,降低變形監(jiān)測(cè)的可靠性；②衛(wèi)星重訪周期長(zhǎng),變形監(jiān)測(cè)時(shí)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(wú)法監(jiān)測(cè)到；⑤山區(qū)高差大,大氣延遲誤差大。

近十年來(lái),人們將干涉平臺(tái)從空中移至地面,開(kāi)發(fā)了地基合成孔徑雷達(dá)干涉（GBInSAR）變形監(jiān)測(cè)新技術(shù),該技術(shù)基于微波主動(dòng)成像方式獲取監(jiān)測(cè)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(shí)空分辨率的變形信息,其關(guān)鍵技術(shù)原理見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。在國(guó)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(cè)中；在國(guó)內(nèi),gBInSAR技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用還處于起步階段,相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道還非常少。

本文在分析GBInSAR變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其成像特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對(duì)隔河巖大壩進(jìn)行GBInSAR變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn),并將結(jié)果與同期的垂線監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1gBInSAR成像與變形監(jiān)測(cè)

1.1gBInSAR成像

地基SAR系統(tǒng)由雷達(dá)傳感器、滑動(dòng)軌道、計(jì)算機(jī)和供電模塊組成,圖1為意大利IDS公司與弗洛倫薩大學(xué)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(dòng)軌道上的傳感器模塊生成、發(fā)射和接收雷達(dá)信號(hào),用USB接口連接計(jì)算機(jī),通過(guò)傳感器在滑動(dòng)軌道上的滑動(dòng)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(hào),經(jīng)過(guò)聚焦處理后形成極坐標(biāo)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(biāo)距離有關(guān)（圖2）,通過(guò)距離向和方位向的結(jié)合,監(jiān)測(cè)區(qū)域被分割成若干個(gè)二維的小單元,距離越遠(yuǎn),方位向分辨率越低。

圖1 IBIS-L變形監(jiān)測(cè)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(dá)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(biāo)就先被記錄下來(lái),這種成像模式導(dǎo)致了SAR圖像中的透視收縮（foreshortening）、頂?shù)孜灰疲╨ayover）和雷達(dá)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(cè)

設(shè)地基SAR兩次測(cè)量中目標(biāo)發(fā)生視線向變形dr,考慮到大氣延遲以及測(cè)量噪聲的影響,兩次測(cè)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(cè)量的相位差；λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；Δψa為大氣延遲相位差；ψn為觀測(cè)噪聲。

若在變形體附近選取穩(wěn)定的參考點(diǎn),即dr=0,對(duì)該穩(wěn)定點(diǎn)有

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

2 IBIS-L變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 測(cè)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(zhǎng)648m；溢流段位于壩的中部,共設(shè)7個(gè)表孔,4個(gè)深孔和2個(gè)放空兼導(dǎo)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(jí)垂直升船機(jī),中間錯(cuò)船渠長(zhǎng)400m,寬30m。

圖4 IBIS-L數(shù)據(jù)采集

IBIS-L采集點(diǎn)位于大壩下游左岸1300m處（圖4）,采用連續(xù)監(jiān)測(cè)模式,從2013年7月27日20時(shí)到08月2日11時(shí),歷時(shí)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(biāo)表示,圖5為SAR能量均值影像（其中P1～P4分別對(duì)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(gè)表孔、右岸電站及邊坡階梯B、左岸升船機(jī)及錯(cuò)船渠D,特別地,位于大壩下游的4排錨樁C反射信號(hào)明顯。

圖5 監(jiān)測(cè)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(cè)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(shí)像元選擇的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為:熱噪聲信噪比大于15.0 dB,估計(jì)信噪比大于10.0 dB,時(shí)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(cè)目標(biāo)雷達(dá)視線向的形變、大氣延遲誤差以及觀測(cè)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(biāo)P1～P4的雷達(dá)視線向相位時(shí)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(shí)左右最小,隨后逐漸增大,在次日0時(shí)左右達(dá)到最大,并維持到7時(shí)左右,隨即急劇減小,至18時(shí)達(dá)到最小值；③相位變化明顯以1天為周期；④從相位波動(dòng)幅度看,距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)最遠(yuǎn)的P3波動(dòng)幅度最大,P1和P4波動(dòng)幅度最小。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1～P4相位變化

根據(jù)隔河巖大壩監(jiān)測(cè)組提供的大壩中部15號(hào)壩段PL15垂線的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中壩體變形量很小（圖9）,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(duì)結(jié)果的影響,根據(jù)式（3）,這種誤差是由雷達(dá)視線向的大氣延遲隨時(shí)間的變化引起。相位變化曲線的日周期性反映了雷達(dá)視線向大氣延遲隨氣溫、氣壓及相對(duì)濕度的變化,這種變化在1300m的距離上最大可達(dá)85mm。另外,大氣擾動(dòng)與雷達(dá)視線向距離有關(guān),距離越遠(yuǎn)影響越大。因此,利用GBSAR進(jìn)行水利工程變形監(jiān)測(cè)必須考慮大氣擾動(dòng)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(dá)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(diǎn),將其他像元與參考點(diǎn)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(diǎn),圖10顯示了去除大氣影響后圖6中部分像元的變形時(shí)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(diǎn)都存在沿水流向的徑向位移,且水位上升時(shí),徑向位移向下游增大；③壩體上點(diǎn)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(shuō)明水位上升時(shí),表孔泄水閘發(fā)生了相對(duì)較大的變形；④6 d的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)壩體總體變形約1.2mm,壩體形變速率與垂線監(jiān)測(cè)速率（0.197mm/d）結(jié)果相當(dāng)；⑤變形序列中還存在較小的周期性大氣擾動(dòng)。

圖10gBInSAR監(jiān)測(cè)的壩體及表孔排水閘變形時(shí)間序列

3 結(jié) 論

a.GBInSAR監(jiān)測(cè)獲取的是區(qū)域性大面積形變信息,相對(duì)傳統(tǒng)單點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息量更大。

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

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

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

本文大氣擾動(dòng)相位僅采用像元間簡(jiǎn)單的差分消除法,沒(méi)有考慮像元距離的遠(yuǎn)近；另外GBInSAR僅能獲取雷達(dá)視線向的變形,采集大壩區(qū)域高精度的DTM,將GBInSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行地理編碼將是下一步研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

[1]鄭守仁.我國(guó)水能資源開(kāi)發(fā)利用的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].水利學(xué)報(bào),2007,38（增刊1）:1-6.（ZHENG Shouren.Development and utilization of hydropower resources in China[J].Journal of Hydraulic Engineering,2007,38 （Sup1）:1-6（in Chinese））

[2] FERRETTI A,PRATI C,ROCCA F.Permanent scatters in SAR interferometry[J].IEEE Transactions ongeoscience and Remote Sensing,2001,39（1）: 8-20.

[3] BERARDINO P, FORNAROg, LANARI R.A new algorithm for surface deformationmonitoring based on small baseline differential interferograms [J].IEEE Transactions ongeoscience and Remote Sensing,2002,40 （11）: 2375-2383

[4]陳強(qiáng),劉國(guó)祥,李永樹(shù),等.干涉雷達(dá)永久散射體自動(dòng)探測(cè):算法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2006,35（2）: 112-117.（CHEN Qiang, LIUguoxiang, LI Yongshu, et al.Automated detection of permanent scatterers in radar interferometry: algorithm and testing results [J].Actageodaetica et Cartographica Sinica,2006,35（2）: 112-117.（in Chinese））

[5]黃其歡,張理想.基于GBInSAR技術(shù)的微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其在大壩變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展, 2011, 31（3）: 84-87.（HUANG Qihuan, ZHANG Lixiang.Ground based synthetic aperture radar Interferometry and its application to deformationmonitoring[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2011,31（3）:84-87.（in Chinese））

[6] STROZZI T,FARINA P,CORSINI A,et al.Survey andmonitoring of landslide displacements bymeans of L-band satellite SAR interferometry[J].Landslides,2005,2（3）: 193-201.

[7] NOFERINI L,PIERACCINIm,MECATTI D,et al.UsinggB-SAR technique tomonitor slowmoving landslide[J].Engineeringgeology,2007,95（3/4）: 88-98.

[8] LUZIg,NOFERINI L,MECATTI D,et al.Using agroundbased SAR interferometer and a terrestrial laser scanner tomonitor a snow-covered slope: results from an experimental data collection in Tyrol（Austria）[J].IEEE Transactions ongeoscience and Remote Sensing,2009,47（2）: 382-393.

[9] TARCHI D, CASAGLI N, FANTI R, et al.Landsidemonitoring by usingground-based SAR interferometry: an example of application to the Tessina landslide in Italy [J].Engineeringgeology,2003,68（1/2）:15-30.

[10] LEVA D,NICOg,TARCHI D et al.Temporal analysis of a landslide bymeans of aground-based SAR interferometer[J].IEEE Transactions ongeoscience & Remote Sensing,2003,41（4）:745-752.

[11] HERRERAg,FERNáNDEZ-MERODO A,MULAS J,et al.A landslide forecastingmodel usingground based SAR data: the portalet case study[J].Engineeringgeology, 2009,105（3/4）:220-230.

[12] LUZIg,PIERACCINIMm,MECATTI D,et al.Monitoring of an alpineglacier bymeans ofground based SAR interferometry [J].Geoscience and Remote Sensing Letters,2007,4（3）: 495-499.

[13] ALBAm, BERNARDINIg,gIUSSANI A, et al.Measurement of dam deformations by terrestrial interferometric techniques [EB/OL].（2008-06-23）http://www.isprs.org/proceedings/XXXVII/congress/1_ pdf/23.pdf.

中圖分類號(hào):P237

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006- 7647（2016）03- 0047- 05

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.010

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金（41304025）；江蘇省自然科學(xué)基金（BK20130831）；國(guó)家留學(xué)基金（201406715025）

作者簡(jiǎn)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