姜春生，汪 劍，何玉童(上海華測導航技術股份有限公司，上海 201702)

地基合成孔徑雷達在大壩安全監(jiān)測中的應用

姜春生，汪 劍，何玉童
(上海華測導航技術股份有限公司，上海 201702)

水電站邊坡安全監(jiān)測方法，目前以北斗監(jiān)測、全站儀監(jiān)測、人工監(jiān)測等方法為主。本次上海華測公司運用地基InSAR系統(tǒng)，對水電站邊坡進行了監(jiān)測和實驗，拓寬了該技術在水電站庫區(qū)邊坡監(jiān)測中的應用，同時對類似形變監(jiān)測系統(tǒng)的建設具有借鑒意義。地基InSAR系統(tǒng)由雷達主機、數(shù)據(jù)處理單元、能量供應單元和線性滑軌等組成，是一套主動采集、自動化處理的系統(tǒng)。其監(jiān)測精度能夠達到0.1 mm，作業(yè)距離4 km，在水庫和大壩監(jiān)測上有非常大的應用價值。

InSAR；大壩監(jiān)測；邊坡監(jiān)測；合成孔徑雷達

0 地基合成孔徑雷達系統(tǒng)概述

地基合成孔徑雷達(Ground-based Synthetic Aperture Radar)干涉測量技術是近十多年間發(fā)展起來的地面主動微波遙感形變探測技術。合成孔徑雷達系統(tǒng)采用地基重軌干涉SAR技術實現(xiàn)高精度形變測量，通過高精度位移臺帶動雷達往復運動實現(xiàn)合成孔徑成像，再通過對同名點不同時相圖像進行相位干涉處理提取出相位變化信息，實現(xiàn)邊坡表面微小形變的高精度測量，可用于山體滑坡、大壩壩體、重大建筑設施的變形監(jiān)測、預警、穩(wěn)定性評估、結構測試、撓度監(jiān)測等[1]。具有全天時、全天候、高精度和時空連續(xù)測量的技術優(yōu)勢[2]。

系統(tǒng)由雷達處理單元、線性掃描裝置、操作及分析軟件、高分辨率干涉雷達、天線、電源供應系統(tǒng)、UPS、電纜及其他輔助件組成完整可工作系統(tǒng)。使用數(shù)據(jù)記錄單元內安裝的現(xiàn)場采集分析和數(shù)據(jù)后處理軟件，可以現(xiàn)場對被測目標進行監(jiān)測，并可以對雷達數(shù)據(jù)進行實時處理、分析、解釋，并得出位移形變結果[3](圖1)。

圖1 數(shù)據(jù)流程圖Fig.1 Data flow diagram

本項目應用當前較為先進的GB-SAR系統(tǒng)LKR-05-KU-S100進行，(圖2)。

圖2 設備安裝圖Fig.2 Installation diagram

1 地基合成孔徑雷達系統(tǒng)參數(shù)

雷達系統(tǒng)功能有：(1)可進行遠距離遙測，無須在目標區(qū)域安裝反射器，無須靠近或進入目標物；(2)可連續(xù)工作時間大于100 d；(3)能夠實現(xiàn)在相同或不同時間間隔內測量同一表面；(4)在天線波束覆蓋區(qū)域內同時監(jiān)測(一般有幾平方千米)，并可以得到動態(tài)位移圖；(5)可監(jiān)測出目標物的振動信息，精確測出0～50 Hz的振動頻率，能夠測出目標物的1～4階振動頻率；(6)直接、實時監(jiān)測，通過解析單個像素的信息，能夠得到局部的位移量，實現(xiàn)全目標24 h連續(xù)監(jiān)測，可遙控測量，無須操作人員現(xiàn)場守候；(7)具有數(shù)據(jù)采集時間短，設備耗電量小等特點(表1、表2)。

表1 雷達參數(shù)表Table 1 SAR parameter list

表2 系統(tǒng)參數(shù)表Table 2 System parameter list

2 大華僑電站邊坡監(jiān)測

設備安裝點位于大華橋水電站滄江橋滑坡區(qū)域，測點距邊坡水平距離約500 m，光學影像圖及雷達強度影像見圖3。

圖3 大華僑水電站邊坡光學照片及雷達強度影像圖Fig.3 Optical and radar intensity images of dahuaqiao hydropower station

通過對圖像特征進行分析，可以得到以下結論：(1)雷達圖像中邊坡坡面雷達回波較強；(2)作業(yè)區(qū)域中建筑物雷達回波較強；(3)作業(yè)區(qū)域中的公路雷達回波較強。

通過對雷達圖像的分析可見，被監(jiān)測區(qū)域的邊坡表面、建筑、公路等重點監(jiān)測對象在雷達圖像中均具有顯著特征，雷達回波較強且很穩(wěn)定。

圖4給出了監(jiān)測過程中不同時刻邊坡表面的累積形變量監(jiān)測結果，圖5提取出了累計變形監(jiān)測結果并在matlab中顯示出來，從監(jiān)測結果中可以看到從監(jiān)測初期開始，監(jiān)測區(qū)域中的不同位置表現(xiàn)出來的位移變化情況，具體表現(xiàn)為：(1)由于時間原因，所監(jiān)測邊坡坡面整體無較大位移；(2)選取其中5個點進行定量分析，可以看出邊坡坡面大體穩(wěn)定，最大位移量沒有超過2 mm。

圖4 雷達變形分布圖及變化過程線Fig.4 InSAR deformation distribution and variation process line

圖5 累計變形分布圖Fig.5 Cumulative deformation map

3 小灣電站大壩監(jiān)測

小灣水電站位于云南省大理州南澗縣與臨滄市鳳慶縣交界的瀾滄江中游河段，距昆明公路里程為455 km。系是瀾滄江中下游水電規(guī)劃“兩庫八級”中的第二級，上游為功果橋水電站，下游為漫灣水電站(圖6)。

圖6 小灣水電站邊坡光學照片及雷達強度影像圖Fig.6 Optical and radar intensity images of xiaowan hydropower station

邊坡雷達的雷達圖像和邊坡光學照片對比如上所示，通過對圖像特征進行分析，可以得到以下結論：(1)雷達圖像中大壩坡面雷達回波較強，特征明顯。(2)作業(yè)區(qū)域中的建筑物雷達回波較強，特征明顯。

通過對雷達圖像的分析可見，被監(jiān)測區(qū)域的大壩表面、建筑物等重點監(jiān)測對象在雷達圖像中均具有顯著特征，雷達回波強，且特征穩(wěn)定，對于雷達技術的使用不存在環(huán)境障礙。

圖7 監(jiān)測區(qū)域雷達變形分布圖及測點變化過程線Fig.7 InSAR deformation distribution and variation process line

圖7給出了監(jiān)測過程中不同時刻邊坡表面的累積形變量監(jiān)測結果，圖8提取出了累計變形監(jiān)測結果并在matlab中顯示出來，從監(jiān)測結果中可以看到從監(jiān)測初期開始，監(jiān)測區(qū)域中的不同位置表現(xiàn)出來的位移變化情況，具體表現(xiàn)為：

圖8 監(jiān)測區(qū)域累計變形分布圖Fig.8 Cumulative deformation map

(1)所監(jiān)測邊坡坡面整體沒有較大變化，在0附近上下波動；

(2)選取其中5個點進行定量分析，可以看出邊坡坡面大體穩(wěn)定，移量沒有超過2 mm。

4 結論

通過本次采用邊坡雷達對云南邊坡的長時間實地監(jiān)測和監(jiān)測結果分析，得出以下結論：

(1)地基合成孔徑雷達技術具有高精度、測量面積大、距離遠等優(yōu)點，用于水電站的大壩和邊坡監(jiān)測是非常適用的。

(2)在使用過程中發(fā)現(xiàn)設備會受到植被的影響，所以如果在有植被覆蓋的地區(qū)使用，要謹慎處理數(shù)據(jù)。

冬季多雪的地區(qū)，如果地表有雪的覆蓋，也會對測量結果有影響。

(3)目前雷達設備的測量距離、測量面積、精度等方面已經滿足水電站邊坡監(jiān)測的要求，但是它測量的是視線方向的變化量，如何轉化為三維位移量，仍需要進一步研發(fā)。

[1] 佘景波，劉國林，曹振坦.差分干涉測量(D-InSAR)技術在礦區(qū)地面沉降監(jiān)測中的應用[J].全球定位系統(tǒng), 2010, 35(5):54-60. SHE Jingbo, LIU Guolin, CAO Zhentan. D-InSAR technology application in mining subsidence monitoring[J]. GNSS World of China, 2010, 35(5):54-60.

[2] 孔祥元,梅是義.控制測量學[M].武漢:武漢測繪科技大學出版社,1996. KONG Xiangyuan, MEI Shiyi. Geo-spacial information science[M]. Wuhan: Geomatics and Information Science of Wuhan UniversityPress,1996.

[3] 金旭輝.地基雷達在橋梁微變形監(jiān)測中的應用研究[D].東南大學,2015. JIN Xuhui. Ground-based radar application in bridge micro-deformation monitoring[D]. Southeast University, 2015.

Application of ground synthetic aperture radar in dam safety monitoring

JIANG Chunsheng， WANG Jian， HE Yutong
(CHCnavigationtechnologyLimitedbyShareLtd,Shanghai,201702,China)

The Beidou System(BDS), total station solution, manual monitoring, etc. are the main techniques for hydropower station slope deformation monitoring. In this project, ground-based InSAR(GB-InSAR) technology has been used by Shanghai Huace Navigation technology Ltd for hydropower station slope deformation monitoring. This successful case gave a good references of GB-InSAR technology in hydropower station slope deformation monitoring applications. The GB-InSAR system consists of ground radar as the mainframe, computer control unit, power supply and linear slide etc., is an active acquisition, automatic processing system. The monitoring accuracy can reach 0.1 mm, working distance is 4 km, and this technology could be bring a great value to in the reservoir deformation monitoring and dam deformation monitoring.

InSAR; dam monitoring; slope monitoring; synthetic aperture radar

2016-11-29;

2016-12-29

上海市科委項目(16530730700).

姜春生(1980-)男，山東煙臺人，學士，資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理專業(yè)，主要從事監(jiān)測變形方面工作。E-mail:chunsheng_jiang@huace.cn

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.02.20

P642

A

1003-8035(2017)02-0146-04