(1. 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2. 中競發(fā)(北京)工程造價咨詢有限公司天津分公司，天津 300010)

關(guān)于地基InSAR新技術(shù)及水利工程變形監(jiān)測應(yīng)用的研究

孫建勛1鄭會歌2

(1. 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2. 中競發(fā)(北京)工程造價咨詢有限公司天津分公司，天津 300010)

水利工程是中國建筑工程的重要構(gòu)成部分，針對部分規(guī)模較大的水利工程，變形監(jiān)測始終是變形觀測的難解問題之一。本文針對地基InSAR新技術(shù)，進(jìn)行簡要敘述，首先分析該技術(shù)原理，對其主要特征進(jìn)行闡述。為展現(xiàn)該技術(shù)優(yōu)勢，列出應(yīng)用范圍，結(jié)合具體水利工程，對該技術(shù)在水利工程變形監(jiān)測方面應(yīng)用進(jìn)行敘述。

地基InSAR技術(shù)；水利工程；變形監(jiān)測

1 InSAR新技術(shù)涵義

InSAR(合成孔徑雷達(dá)干涉測量)是指利用同一地區(qū)不同期次SAR數(shù)據(jù)中的相位信息進(jìn)行干涉測量的技術(shù)。InSAR技術(shù)以合成孔徑雷達(dá)復(fù)數(shù)據(jù)提取的相位信息為信息源，獲取地表的三維信息和變化信息。InSAR通過兩副天線同時觀測(單軌模式)，或兩次近平行的觀測(重復(fù)軌道模式)，獲取地表同一景觀的復(fù)圖像對。由于目標(biāo)與兩天線位置的幾何關(guān)系，在復(fù)圖像上產(chǎn)生了相位差，形成干涉條紋圖。干涉條紋圖中包含了斜距向上的點與兩天線位置之差的精確信息。因此，利用傳感器高度、雷達(dá)波長、波束視向及天線基線距之間的幾何關(guān)系，可以精確地測量出圖像上每一點的三維位置和變化信息。

水利事業(yè)是中國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。水利工程在中國防洪減災(zāi)中發(fā)揮著重要作用。為確保水利工程安全、穩(wěn)定運行，管理機(jī)構(gòu)要對水利工程開展變形監(jiān)測?，F(xiàn)階段變形觀測方法包括空間測量、地面測量、地面三維激光掃描等，雖然在過去發(fā)展中，這些方式方法發(fā)揮了重要作用，卻各自受限。如：空間測量受限于外部環(huán)境；地面測量工作環(huán)境為野外，工作量繁重；激光掃描技術(shù)運用信息技術(shù)，但因為距離因素引發(fā)的問題成為其短板。地基InSAR技術(shù)相較于上述傳統(tǒng)方式，其先進(jìn)性尤為顯著，具備測量范圍廣、操作自動化且具有較高精度等優(yōu)勢，為變形觀測指出了新的發(fā)展方向。

2 InSAR新技術(shù)應(yīng)用范圍

InSAR技術(shù)起初的設(shè)計意圖在于實現(xiàn)對地球表面的進(jìn)一步觀測，當(dāng)前由于該技術(shù)優(yōu)勢明顯，有利于人類對自然環(huán)境觀測的清晰化，在各領(lǐng)域的應(yīng)用收獲頗豐，水利、變化監(jiān)測、地震活動以及極地等領(lǐng)域廣泛推廣。InSAR技術(shù)的應(yīng)用范圍大體可以歸為以下幾方面。

2.1 數(shù)字高程模型獲取

該技術(shù)的研發(fā)體現(xiàn)了監(jiān)測領(lǐng)域的先進(jìn)性發(fā)展，運用該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對不同區(qū)域全天候、大面積、精準(zhǔn)度高且全天時的監(jiān)測，對于部分區(qū)域監(jiān)測不便情況，該技術(shù)優(yōu)勢更加顯著。美國航天局于20世紀(jì)開始，采用InSAR技術(shù)在環(huán)境各異的條件下進(jìn)行研發(fā)工作，獲取豐富的報告成果。運用此技術(shù)航拍，獲取世界各地不同資料，同樣起源于美國。InSAR技術(shù)的首次應(yīng)用就為美國獲取了地球面積80%以上的影像數(shù)據(jù)，真切體現(xiàn)了該技術(shù)應(yīng)用過程中的大面積、精度高、速度快的特性(見圖1)。

圖1 SRTM數(shù)據(jù)覆蓋范圍(深色區(qū)域)(JPL網(wǎng)站)

2.2 地圖測繪

以往傳統(tǒng)測繪方式、方法的應(yīng)用在取得一定成果的同時，也存在部分弊端，如：周期長，投入人力和物力大、監(jiān)測精確度低等。InSAR技術(shù)的應(yīng)用卻能夠有效解決此類問題，在滿足實際需求方面，若地勢平坦，能夠獲取2m左右精確度，若是地形地勢具有高低起伏，獲取精確度約為5m，對于現(xiàn)階段監(jiān)測要求完成度較高(見圖2)。

2.3 海洋應(yīng)用方面

海洋領(lǐng)域應(yīng)用InSAR技術(shù)能夠?qū)＠说姆较蚺c表面流速等進(jìn)行精準(zhǔn)測量，從而根據(jù)海洋領(lǐng)域各項數(shù)據(jù)預(yù)測洋流走向等，對于海浪高度計算優(yōu)勢明顯。海洋領(lǐng)域在該技術(shù)的應(yīng)用方面不僅可以對海浪等進(jìn)行監(jiān)測，還能夠針對艦船與海岸線的情況實施動態(tài)監(jiān)測。

圖2 InSAR提取的DEM(每個干涉條紋代表160.00m高程)

2.4 地球動力學(xué)應(yīng)用方面

2.4.1 地震形變的應(yīng)用

地球動力學(xué)應(yīng)用方向之一就是地震形變，主要涉及同震、震中與震后三方面研究。地震形變測量中InSAR技術(shù)的應(yīng)用，是地表形變場觀測的首次嘗試，開創(chuàng)了應(yīng)用的開端。自此以后各國人員對地震形變場中InSAR技術(shù)的應(yīng)用展開廣泛研究，充分證明該技術(shù)在地震形變場方面的應(yīng)用具有較高效率。在過往地震研究中，引用該技術(shù)的有加利福尼亞州1993年地震、中國西藏1997年發(fā)生的瑪尼地震，還有最為人矚目的2008年汶川大地震。參考依據(jù)與可靠數(shù)據(jù)都是通過InSAR技術(shù)獲取，主要為同震與震后數(shù)據(jù)資料，加深對地震形成與未來趨勢預(yù)判，因為地震主震形成的地表形變，加之形變模型所做出的模擬結(jié)果，進(jìn)一步對形變場進(jìn)行分析，更為精確地對震源參數(shù)進(jìn)行分析，歸結(jié)地震發(fā)生原理，進(jìn)而能夠?qū)Φ卣鸬闹芷谂c演化過程充分掌控，減少自然災(zāi)害造成的損失。

2.4.2 火山研究

火山作為自然活動之一，能夠形象反映出地質(zhì)形變情況。經(jīng)過我們對火山運動規(guī)律的分析，研究人員可以依據(jù)觀測數(shù)據(jù)，對火山的未來走向進(jìn)行預(yù)測。InSAR技術(shù)的應(yīng)用可以為人類再現(xiàn)火山的形變情況，有助于人類研究地殼變化。有效應(yīng)用該技術(shù)的有著名的意大利Ena火山(見圖3)與冰島斷裂火山等。

圖3 InSAR監(jiān)測Ena火山運動

2.4.3 冰川應(yīng)用

冰川同屬地質(zhì)活動之一，冰川研究方面應(yīng)用InSAR技術(shù)可以保證相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性、精確性以及高分辨性，以此對冰川活動與其他變化特征有效測量。著名研究學(xué)者GoldStein于1993年第一次在缺少控制點的前提下，對冰流的速度進(jìn)行監(jiān)測，后續(xù)相關(guān)學(xué)者在應(yīng)用該技術(shù)的基礎(chǔ)上，分別從冰川變形、溫帶冰川與冰流速度等方面展開了一系列分析與研究。

2.4.4 細(xì)微地形應(yīng)用

InSAR技術(shù)在細(xì)微地形變化方面的應(yīng)用涉及滑坡與地面沉降等形變，該技術(shù)在這方面的應(yīng)用要追溯到1996年，此為該技術(shù)對中等滑坡體運動能力確定的第一次驗證。Refice學(xué)者針對意大利南部的滑坡現(xiàn)象展開了一系列研究，提出植被覆蓋、試驗區(qū)小尺度與大氣影響等方面影響，造成進(jìn)行過程中相位失相干，以及時間與分辨率有所區(qū)別的不足。從地面沉降方面分析，發(fā)生該情況的原因在于對承壓含水層的水量過度開采，從而形成地質(zhì)災(zāi)害。

3 隔河巖大壩變形監(jiān)測實驗

3.1 大壩實驗數(shù)據(jù)

采用2013年7月27日20時到8月2日11時在隔河巖水利工程區(qū)域獲取的1330景地基SAR影像進(jìn)行變形監(jiān)測實驗，圖4中①為大壩壩體，②為電站與邊坡階梯，③為2級升船機(jī)及中間錯船渠。

圖4 IBIS-L數(shù)據(jù)采集場景

對相鄰地基SAR影像進(jìn)行干涉處理(見圖5)，利用相干系數(shù)和幅度離差指數(shù)閾值法，提取高質(zhì)量相干目標(biāo)，根據(jù)大壩監(jiān)測組提供的垂線及全站儀監(jiān)測信息，選擇3個相干點，分布如圖6所示，作為穩(wěn)定點控制點(GCP)，采用基于穩(wěn)定點加權(quán)法進(jìn)行大氣延遲校正。

圖5 地基SAR能量

圖6 累計變形

3.2 監(jiān)測結(jié)論

根據(jù)圖6與圖7展現(xiàn)效果圖，得出以下結(jié)論：

a. 進(jìn)行試驗的地帶，其構(gòu)成主體大多為水泥建筑物或裸露巖石，鑒于地基地勢有利，地基的SAR回波信號源相對較強(qiáng)，相干性較好，由此形成的累積形變圖在空間密度方面有較高精確度。

圖7 P1～P4雷達(dá)視線向形變時間序列

b. 通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測像元并未發(fā)生趨勢性形變，監(jiān)測像結(jié)果與大壩監(jiān)測中心的結(jié)果相一致，不過并非完全一致，某些像元形變值存在很大程度的波動，呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。根據(jù)分析，與大氣延遲校正完善度不高有關(guān)系。

4 結(jié) 語

地基合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的實質(zhì)為采用干涉測量技術(shù)，達(dá)到收獲微小形變的作用，是有效方式之一，其不僅應(yīng)用于水利工程中，也應(yīng)用于橋梁工程等監(jiān)測工作中。上文中提到，因為傳統(tǒng)形變觀測方式具備固有缺陷，而InSAR監(jiān)測新技術(shù)有廣闊的發(fā)展前景，應(yīng)用工作效率更加高效。水利工程是中國重點發(fā)展的項目之一，技術(shù)的不斷更新有利于提升工作效率，解決實際供需問題，InSAR新技術(shù)的應(yīng)用有積極的現(xiàn)實意義。ffffef

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ResearchonapplicationoffoundationInSARnewtechnologyandwaterconservancyengineeringdeformationmonitoring

SUN Jianxun1, ZHENG Huige2

(1.BeiFangInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd.,Tianjin300222,China;2.Zhongjingfa(Beijing)EngineeringCostConsultingCo.,Ltd.,TianjinBranch,Tianjin300010,China)

Water conservancy project is an important part of construction engineering in China, and the deformation monitoring aiming at some water conservancy projects with larger scale is always one of the deformation observation problems. In the paper, new technology of foundation InSAR is briefly narrated. Firstly, the principle of the technology is analyzed, and main characteristics thereof are described. The application scope is listed, specific water conservancy projects are combined, and the application of the technology in water conservancy engineering deformation monitoring is described in order to show the advantages of the technology.

foundation InSAR technology; water conservancy engineering; deformation monitoring

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.011.002

TV554

B

1005-4774(2017)011-0007-04