GBInSAR技術(shù)及其在水利工程中的應(yīng)用

康麗文 沈顏奕 趙海鵬

(河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

GBInSAR技術(shù)及其在水利工程中的應(yīng)用

康麗文 沈顏奕 趙海鵬

(河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

研究了基于地基合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(Ground Based InSAR，GBInSAR)技術(shù)的微變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(IBIS-L)關(guān)鍵技術(shù)和精度，并分析了該系統(tǒng)在紫平鋪大壩和泰西納(Tessina)滑坡區(qū)的監(jiān)測(cè)實(shí)例，實(shí)踐表明該系統(tǒng)具有長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)、覆蓋范圍廣、監(jiān)測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)，為水利工程變形監(jiān)測(cè)提供了新方法。

GBInSAR，IBIS系統(tǒng)，變形監(jiān)測(cè)，大壩，滑坡

0 引言

水利工程在國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中起著舉足輕重的作用，同時(shí)也為人民的日常生活提供了堅(jiān)強(qiáng)有力的保證。當(dāng)前，對(duì)水利工程進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)[1]只能監(jiān)測(cè)一些特殊的點(diǎn)的形變信息，不能覆蓋每個(gè)部分、反映真實(shí)形變，建立的位移數(shù)學(xué)模型也不能全面反映其健康狀況。目前地基合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)在水利工程監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用便于監(jiān)測(cè)人員能夠以高采樣頻率和高空間分辨率對(duì)大范圍工程進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

由意大利IDS公司與弗洛倫薩大學(xué)合作發(fā)明的基于GBInSAR技術(shù)的微變形遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)雷達(dá)(IBIS-L系統(tǒng))已經(jīng)廣泛應(yīng)用于滑坡[2，3]、煤礦[4]和大壩[5，6]的變形監(jiān)測(cè)，并取得了較好的成果。以下將對(duì)GBInSAR的關(guān)鍵技術(shù)、IBIS-L系統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)精度及其在紫平鋪大壩[7]和泰西納滑坡[8]中的應(yīng)用進(jìn)行研究分析，并對(duì)GBInSAR技術(shù)的特點(diǎn)及其在水利工程的應(yīng)用前景進(jìn)行總結(jié)。

1 GBInSAR變形監(jiān)測(cè)原理

GBInSAR是一種地面微波干涉遙感技術(shù)，通過步進(jìn)頻率連續(xù)波(the Stepped-Frequency Continuous Wave，SF-CW)和合成孔徑雷達(dá)技術(shù)(Synthetic Aperture Radar,SAR)獲得了較高的空間分辨率，而干涉技術(shù)使得沿雷達(dá)視線向的微變形監(jiān)測(cè)優(yōu)于毫米級(jí)，實(shí)現(xiàn)無需接近目標(biāo)區(qū)域就可全天候、全天時(shí)精確獲取地表信息。

1.1 步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)

步進(jìn)頻率連續(xù)波由一系列載頻線性跳變的連續(xù)信號(hào)構(gòu)成，雷達(dá)序貫發(fā)射一組載頻均勻步進(jìn)的窄帶寬脈沖(設(shè)共有N個(gè)脈沖)，步進(jìn)量為Δf,一般取Δf=1/τ，其帶寬為：

B=(N-1)Δf

(1)

對(duì)這串脈沖的回波信號(hào)進(jìn)行處理，可得脈沖寬度為τ/N，即距離向分辨率是單個(gè)脈沖測(cè)量時(shí)的N倍。所以步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)的應(yīng)用提高了雷達(dá)的距離分辨率，雷達(dá)的距離分辨率Δr與脈沖延續(xù)時(shí)間τ有關(guān)。

(2)

其中，c為光速。因?yàn)棣覤=1，所以式(2)還可表示為：

(3)

假設(shè)光速c=3×108m/s，帶寬B=3×108Hz，由式(3)可知該系統(tǒng)的距離向分辨率為0.5 m，距離分辨率的大小與測(cè)距無關(guān)。

1.2 合成孔徑雷達(dá)技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)利用數(shù)據(jù)處理的方法合成一個(gè)較大的等效天線孔徑雷達(dá)，不僅打破了物理天線寬度的局限，還提高了方位向的分辨率。在實(shí)際應(yīng)用中，一般在一個(gè)長(zhǎng)為L(zhǎng)的滑軌上安裝合成孔徑雷達(dá)，通過滑桿的移動(dòng)使得合成天線的波寬與觀測(cè)點(diǎn)到目標(biāo)的距離成反比，合成孔徑雷達(dá)的角分辨率Δ?可用式(4)表達(dá)：

(4)

其中，λ為雷達(dá)發(fā)射的波長(zhǎng)。假設(shè)IBIS-L系統(tǒng)的雷達(dá)波長(zhǎng)為18 mm，滑軌長(zhǎng)度L=2 m，則該系統(tǒng)的角分辨率可以達(dá)到4.5 mrad。如圖1所示，通過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，其中距離向分辨率為0.5 m，方位向分辨率為4.5 mrad×距離。

1.3 干涉技術(shù)

干涉技術(shù)將不同時(shí)刻SAR圖像結(jié)合起來，通過比較監(jiān)測(cè)同一地區(qū)在不同時(shí)刻的SAR圖像相位信息，得到監(jiān)測(cè)地區(qū)的形變信息。此技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)地表形變時(shí)精度極高，可達(dá)毫米級(jí)，完全能夠滿足在大壩、山體滑坡等地區(qū)的需求。假設(shè)波長(zhǎng)為λ的雷達(dá)使目標(biāo)2次成像的相位差為ΔΦ，則雷達(dá)視線向變形dr可表達(dá)為:

(5)

2 IBIS-L系統(tǒng)的精度評(píng)定

將目標(biāo)物和千分表相連，IBIS-L系統(tǒng)和Leica TCA 2003全站儀觀測(cè)同一目標(biāo)。用千分表對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行微小的調(diào)節(jié)，將IBIS-L系統(tǒng)和全站儀捕捉到的位移變化情況進(jìn)行對(duì)比。將靶標(biāo)向監(jiān)測(cè)設(shè)備調(diào)節(jié)2次(每次調(diào)節(jié)0.5 mm)和5次(每次調(diào)節(jié)0.1 mm)并回調(diào)至原位置時(shí)，IBIS-L系統(tǒng)和全站儀捕捉到的位移變化情況如圖2,圖3所示。

由圖2，圖3可知，當(dāng)形變量大于0.5 mm時(shí)，IBIS-L系統(tǒng)和全站儀的測(cè)量精度都能夠滿足要求；當(dāng)變形量小于0.5 mm時(shí)，IBIS-L系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)出0.1 mm的形變量，而全站儀的測(cè)量結(jié)果誤差相對(duì)較大，所以IBIS-L系統(tǒng)的測(cè)量微變精度要高于全站儀。

3 IBIS-L系統(tǒng)在水利工程變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用的實(shí)例

3.1 大壩的安全監(jiān)測(cè)

紫坪鋪大壩位于四川都江堰上游，大壩蓄水11.12億m3，為混凝土面板堆石壩。監(jiān)測(cè)時(shí)間從2008年7月31日20時(shí)59分～8月1日12時(shí)1分，共計(jì)約15 h。將IBIS-L設(shè)備放置于距離大壩550 m～780 m、離地高度為0.40 m處，設(shè)置其最大監(jiān)測(cè)距離1 700 m、距離向分辨率0.5 m、角度向分辨率4.5 mrad、采樣間隔為6 min。通過整個(gè)區(qū)域的雷達(dá)波反射情況可知，大壩主體的反射情況較好，且區(qū)域中各點(diǎn)的信噪比大多在15 dB之上，為最終準(zhǔn)確的結(jié)果提供了良好的基礎(chǔ)。為克服氣候變化對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成的影響，選取校準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。取GCP作為校準(zhǔn)點(diǎn)，在壩體上選取反射能量較好的6個(gè)點(diǎn)(P1～P6)，假定GCP點(diǎn)的位移為零，對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。由圖4所示的P1～P6在監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的連續(xù)變形過程曲線可知，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，每個(gè)點(diǎn)的形變量均小于1 mm，且可以認(rèn)為大氣延遲和氣溫對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響使得在整個(gè)觀測(cè)時(shí)間內(nèi)該微小形變較為一致。在進(jìn)行氣候校準(zhǔn)后，IBIS-L系統(tǒng)能夠完成大壩的微變形監(jiān)測(cè)任務(wù)。

實(shí)驗(yàn)表明，GBInSAR技術(shù)用于大壩安全監(jiān)測(cè)的精度優(yōu)于毫米級(jí)，通過設(shè)置一個(gè)合適的固定監(jiān)測(cè)基站，對(duì)整個(gè)壩體進(jìn)行全面、連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由在一系列不同的預(yù)設(shè)基站實(shí)施監(jiān)測(cè)來得到對(duì)同一目標(biāo)區(qū)域的不同時(shí)段不同角度的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果；采用IBIS-L系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地逐點(diǎn)跟蹤大壩表面的微小變形，完成整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域中大壩表面的變形監(jiān)測(cè)任務(wù)。

3.2 滑坡的安全監(jiān)測(cè)

泰西納滑坡區(qū)位于意大利東北部貝盧諾市附近的愛爾帕格地區(qū)，滑源區(qū)呈近似的橢圓形。2003年，Tarchi用GBInSAR技術(shù)對(duì)該滑坡進(jìn)行了晝夜連續(xù)7 d監(jiān)測(cè)。設(shè)備到滑坡的距離大于4 km，最大的監(jiān)測(cè)范圍是7 km2，其角度向分辨率為4.5 mrad，距離向分辨率為0.5 m，得到了整個(gè)滑坡區(qū)域多時(shí)相地表形變圖。

圖5為三個(gè)不同觀測(cè)時(shí)期的位移圖。在地區(qū)的二維圖像中挑選一個(gè)像素并記錄該像素點(diǎn)隨時(shí)間變化的位移，展示該地區(qū)演變速度，圖6是該單像素點(diǎn)的位移圖。

由圖5和圖6可知該地區(qū)在監(jiān)測(cè)期間進(jìn)行了一個(gè)緩慢且連續(xù)的位移，其速度能夠達(dá)到一小時(shí)幾厘米，且在距離雷達(dá)發(fā)射中心約350 m的滑坡下部其形變量最大。

實(shí)驗(yàn)表明，作為一種全新的非接觸式的微變形監(jiān)測(cè)設(shè)備——IBIS-L系統(tǒng)，具有可長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)、覆蓋范圍廣、監(jiān)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠獲得多時(shí)位移圖和位移速度，反映滑坡的整體位移趨勢(shì)，可以對(duì)滑坡提供有效、實(shí)時(shí)的安全性監(jiān)測(cè)，為滑坡預(yù)警和治理提供更為可靠的消息。

4 總結(jié)和展望

GBInSAR技術(shù)結(jié)合了SF-CW，SAR，干涉測(cè)量三大技術(shù)，以微波探測(cè)主動(dòng)成像方式得到被監(jiān)測(cè)區(qū)域二維影像，可以全天時(shí)、全天候的獲取滑坡、大壩等變形體的高分辨率變形信息。在IBIS-L系統(tǒng)和Leica TCA 2003的監(jiān)測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了IBIS-L系統(tǒng)具有優(yōu)于毫米級(jí)的變形監(jiān)測(cè)精度。IBIS-L系統(tǒng)在紫平鋪大壩和泰西納滑坡中的應(yīng)用，證實(shí)了IBIS-L系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地涵蓋整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域和逐點(diǎn)跟蹤大壩體和滑坡體的微小變形，能以優(yōu)于毫米級(jí)的精度對(duì)大壩和滑坡進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，完成大范圍的變形監(jiān)測(cè)任務(wù)。

地基雷達(dá)干涉系統(tǒng)IBIS-L系統(tǒng)是微變形測(cè)量系統(tǒng)的典范，在短期發(fā)展中取得了很好的應(yīng)用效果。微變形遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，有很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足，如：設(shè)備的高費(fèi)用及其在實(shí)際使用中有一定的局限性導(dǎo)致其難推廣。近年來，有學(xué)者提出為實(shí)現(xiàn)三維高精度的變形監(jiān)測(cè)，可將其與三維激光掃描儀、全站儀等儀器融合。隨著研究的進(jìn)一步深入，擁有巨大潛力的基于GBInSAR的微變形遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)雷達(dá)在未來的水利工程的變形監(jiān)測(cè)(如大壩監(jiān)測(cè)、滑坡監(jiān)測(cè)等)方面必將有更廣泛的應(yīng)用。

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The application of GBInSAR technology and its use in water conservancy project

KANG Li-wen SHEN Yan-yi ZHAO Hai-peng

(HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

This paper researched the key technology and precision of micro deformation detection system based on foundation synthetic aperture radar interferometry (Ground Based InSAR, GBInSAR) technology, and analyzed the monitoring example of the system in Zipingpu dam and Tessina landslide area, the practice showed that the system had the advantages of long-term continuous monitoring, large coverage area, high monitoring accuracy, provided new method for water conservancy engineering deformation monitoring.

GBInSAR, IBIS system, deformation monitoring, dam, landslide

1009-6825(2014)28-0231-03

2014-07-24

康麗文(1991- )，女，在讀本科生； 沈顏奕(1992- )，女，在讀本科生； 趙海鵬(1992- )，男，在讀本科生

TU196.1

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