IBIS－L系統(tǒng)與TM30全站儀在邊坡變形監(jiān)測中的對比分析

余紅楚 左小清 字陳波 徐小坤 王利啟 劉海波

1 昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明市文昌巷68號，650093

2 華能瀾滄江水電有限公司，昆明市世紀(jì)城中路1號，650214

傳統(tǒng)水電站邊坡變形監(jiān)測技術(shù)主要包括水準(zhǔn)儀、全站儀及測量機器人等。水準(zhǔn)儀精度高，但在陡峭的邊坡受到觀測高差的限制，難以施測。采用全站儀和測量機器人需要在邊坡上埋設(shè)大量觀測墩，人力資源成本高，前期準(zhǔn)備周期長，后期需要對每個觀測墩的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算整理［1］。IBIS－L系統(tǒng)獲取監(jiān)測區(qū)域的二維影像，利用合成孔徑技術(shù)和步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)實現(xiàn)雷達(dá)影像方位向和距離向的高分辨率，通過比較不同時間影像中目標(biāo)點的電磁波相位信息，采用干涉技術(shù)求取監(jiān)測區(qū)域的變形量，實現(xiàn)優(yōu)于mm 級的微變形監(jiān)測［2－3］。本文對IBIS－L系統(tǒng)為期一個月的大型水電站邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與TM30全站儀進(jìn)行變形監(jiān)測精度對比。

1 試驗方案與數(shù)據(jù)處理

1.1 試驗方案

試驗在某水電站邊坡進(jìn)行。選取位于不同邊坡上的3個監(jiān)測點進(jìn)行對比分析，其中包含兩個自動觀測點和一個人工觀測點。

TM30全站儀監(jiān)測頻率為4d測量一次，監(jiān)測周期30d。利用水電站提供的GPS基準(zhǔn)網(wǎng)中的控制點作為監(jiān)測基準(zhǔn)點。數(shù)據(jù)采集完成后先進(jìn)行儀器常數(shù)改正、氣象改正和傾斜改正等距離改正，再計算監(jiān)測點坐標(biāo)。

IBIS－L系統(tǒng)安置在邊坡對岸的簡易棚內(nèi)。試驗中IBIS－L系統(tǒng)的測點無法直接與邊坡已有的TM30全站儀監(jiān)測點相重合，所以為了方便對比分析，在TM30全站儀監(jiān)測點旁安置角形反射器，以便準(zhǔn)確識別全站儀監(jiān)測點的位置。IBIS－L系統(tǒng)24h實時監(jiān)測，一次采樣時間為6min。

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

1.2.1 TM30全站儀數(shù)據(jù)處理

TM30全站儀測量采用08－12、08－15、08－21和08－25觀測值的均值作為初值，計算之后每期的三維位移向量。由于IBIS－L 系統(tǒng)測量的是儀器視線方向位移，必須進(jìn)行投影變換。采用TM30全站儀測出IBIS－L系統(tǒng)中心的三維坐標(biāo)，計算視線向量。設(shè)向量A＝（X1，Y1，Z1），B＝（X2，Y2，Z2），則A向 量 在B向 量 上 的 投 影 為。據(jù)此，計算TM30 監(jiān)測的三維位移向量在IBIS－L系統(tǒng)視向的投影，并計算累積位移（表1、2）。

1.2.2 IBIS－L系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

1）數(shù)據(jù)定標(biāo)和聚焦處理

IBIS－L系統(tǒng)獲得一維信號數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)和聚焦處理，得到距離向分辨率0.5m、方位向分辨率4.4mrad的二維扇形圖像［4］。

2）干涉處理

通過設(shè)定閾值（強度值或相干系數(shù)）去掉質(zhì)量不好的點，保證干涉圖像的可靠性［5］。對數(shù)據(jù)進(jìn)行干涉處理，首先選擇一個主影像，然后分別和剩余的影像進(jìn)行干涉。干涉后，可以設(shè)定合適的濾波窗口對干涉圖進(jìn)行濾波處理，除去噪聲的影響，保證相位的連續(xù)性，加快解纏的速度［6］。濾波結(jié)束后可以對濾波后的影像進(jìn)行相位解纏，獲得真實的距離相位［7］。

表1 TM30全站儀三維位移在雷達(dá)視向投影計算表Tab.1 The projection calculation table of three－dimensional total displacement acquired by TM30total station in the radar sight direction

表2 TM30全站儀在雷達(dá)視線方向的累積位移計算表Tab.2 Calculative displacement of TM30total station monitoring in the radar sight direction

3）差分處理

對干涉圖進(jìn)行兩兩差分處理，獲得不同時刻距離向相位變化值。把差分獲得的相位轉(zhuǎn)換為距離值，得到位移量。

4）誤差校正

地面雷達(dá)觀測的誤差主要為視向形變誤差，包括干涉相位誤差和系統(tǒng)工作頻率偏移，干涉相位誤差包括大氣干擾相位誤差、干涉相位噪聲和散射體去相干。試驗中，監(jiān)測周期為30d，系統(tǒng)頻率能維持穩(wěn)定，系統(tǒng)的頻率偏移極其微小，其誤差在0.01mm 內(nèi)，可以忽略不計。散射體具有高相關(guān)性，散射體去相干可以忽略［8］。

大氣水汽含量在時間空間上的變化引起的雷達(dá)信號延遲是雷達(dá)干涉測量中不可忽視的誤差［9］。根據(jù)雷達(dá)圖像的熱信噪比、估計信噪比、相關(guān)性值和位移曲線，結(jié)合實地情況，選擇熱信噪比高、估計信噪比高、相關(guān)性值接近1，且位移量在誤差范圍內(nèi)的點作為GCP 點（地面控制點）。GCP點相位變化只受環(huán)境變化影響。采用單個GCP點或多個GCP點加權(quán)平均的方式對觀測墩所在的像素點進(jìn)行校正，從而得到像素點的真實位移。例如，點位1經(jīng)過GCP點校正后的位移變化如圖1所示，從圖上看，位移變化在1mm 之內(nèi)波動。這是因為GCP 點和觀測點位在雷達(dá)圖像上處在不同的像元，GCP點受環(huán)境的影響不能完全反映觀測點位微波路徑上的情況，校正后存在一定的誤差。

IBIS－L系統(tǒng)是連續(xù)觀測，TM30全站儀是非連續(xù)的，監(jiān)測周期為4d一次，位移量是觀測當(dāng)天某一時段或某一時刻的觀測值，故選取IBIS－L系統(tǒng)相應(yīng)觀測日期的平均位移量與TM30 全站儀監(jiān)測值進(jìn)行比較。從IBIS－L 系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)中提取出08－15、08－17、08－21等的位移量，計算它們每天的平均位移量和累積位移量（表3、4）。

圖1 點位1經(jīng)GCP點校正后的位移變化圖Fig.1 The displacement change graph of point one after GCP points correction

2 精度對比分析

根據(jù)TM30全站儀和IBIS－L 系統(tǒng)在雷達(dá)視線方向監(jiān)測的累積位移值，繪制圖2、3。

由圖2看出，TM30全站儀測量每個點的累積位移都在±3 mm 內(nèi)波動，呈不規(guī)則分布。這是因為水電站邊坡都比較穩(wěn)定，30d內(nèi)形變值在1～2 mm 左右，而由于觀測距離較遠(yuǎn)，約1km，TM30全站儀觀測時受環(huán)境和視差等影響較大，誤差在mm 級，無法監(jiān)測出2～3mm 的位移值。

由圖3看出，IBIS－L系統(tǒng)監(jiān)測誤差在±1mm之內(nèi)波動，但能監(jiān)測出mm 級的形變趨勢，所以點2不存在形變，點1在雷達(dá)視線方向呈現(xiàn)遠(yuǎn)離形變趨勢，點3在雷達(dá)視線方向呈靠近形變趨勢。點位1和點位3處在不同的邊坡，實際位移方向與雷達(dá)視線方向的夾角不同，實際位移在雷達(dá)視線方向的投影有正有負(fù)，呈靠近IBIS－L系統(tǒng)或遠(yuǎn)離IBIS－L系統(tǒng)趨勢。

采用高次曲線擬合和多項式擬合，對點位1和點位3的30d雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合曲線如圖4所示。點位1呈倒指數(shù)曲線圖形，點位3呈雙曲線圖形。

表3 IBIS－L系統(tǒng)監(jiān)測位移計算表Tab.3 The displacement calculation table of IBIS－L system monitoring

表4 IBIS－L系統(tǒng)監(jiān)測累積位移計算表Tab.4 The cumulative displacement calculation table of IBIS－L system monitoring

圖2 TM30全站儀測量累積位移折線圖Fig.2 The cumulative displacement line graph of TM30total station measuring

圖3 IBIS－L系統(tǒng)監(jiān)測累積位移折線圖Fig.3 The cumulative displacement line graph of IBIS－L system monitoring

圖4 IBIS－L系統(tǒng)監(jiān)測高次曲線擬合圖Fig.4 The high－order curve fitting chart of IBIS－L system monitoring

3 結(jié) 語

本文對IBIS－L 系統(tǒng)和TM30全站儀在水電站邊坡長時間微變形監(jiān)測中的精度進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明，IBIS系統(tǒng)能監(jiān)測出雷達(dá)視線方向mm 級形變，精度優(yōu)于TM30全站儀，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度、大范圍、連續(xù)的水電站邊坡變形監(jiān)測。然而，由于IBIS－L系統(tǒng)只能獲得雷達(dá)視線向的位移，難以得出具體的實際形變方向和形變量，如何獲得實際的三維變形信息需要進(jìn)一步的研究。

［1］徐亞明，周校，王鵬，等.地基雷達(dá)干涉測量的環(huán)境改正方法研究［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2013，33（3）：41－43（Xu Yaming，Zhou Xiao，Wang Peng，et al.Environmental Correction Methods for Ground－Based Radar Interferometry Measuring［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2013，33（3）：41－43）

［2］王鵬，周校.地基SAR 干涉測量原理及其形變監(jiān)測應(yīng)用研究［J］.測繪信息與工程，2012，37（4）：22－28（Wang Peng，Zhou Xiao.Ground－Based SAR Interferometry Principles and Its Applications to Displacement Monitoring［J］.Journal of Geomatics，2012，37（4）：22－28）

［3］R?delsperger S，L?ufer G，Gerstenecker C，et a1.Monitoring of Displacements with Ground－Based Microwave Interferometry：IBIS－S and IBIS－L［J］.Journal of Applied Geodesy，2010（4）：41－54

［4］Luzi G，Noferini L.Using a Ground Based SAR Interferometer and a Terrestrial Laser Scanner to Monitor a Snow－Covered Slope：Results from an Experimental Data Collection in Tyrol（Austria）［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2009，47（2）：382－393

［5］Iannini L，Monti Guarnieri A.Atmospheric Phase Screen in Ground－Based Radar：Statistics and Compensation［J］.Geoscience and Remote Sensing Letters，2011，3（8）：537－541

［6］刁建鵬，梁光勝.地面雷達(dá)的位移監(jiān)測試驗研究［J］.測繪科學(xué)，2011，36（2）：62－64（Diao Jianpeng，Liang Guangsheng.Experimental Study on Monitoring Displacement by Ground－Based Radar［J］.Science of Surveying and Mapping，2011，36（2）：62－64

［7］黃其歡，張理想.基于GB－InSAR 技術(shù)的微變形監(jiān)測系統(tǒng)及其在大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.水利水電科技進(jìn)展，2011，31（3）：84－87（He Qihuan，Zhang Lixiang.Ground－Based Synthetic Aperture Radar Interferometry and Its Aapplication to Deformation Monitoring［J］.Hydraulic and Hydroelectricity Science Technology Progress，2011，31（3）：84－87）

［8］Ferretti A，Claudio P，Rocca A.Permanent Scatters in SAR Interferometry［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2001，39（1）：8－20

［9］華遠(yuǎn)峰，李連友，胡伍生，等.地面雷達(dá)靜態(tài)微變形測量環(huán)境影響改正方法研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，43（18）：428－432（Hua Yuanfeng，Li Lianyou，Hu Wusheng，et al.Environment Correction Methods of Static Micro－Deformation Surveyed by Ground－Based Radar［J］.Journal of Southeast University：Natural Science Edition，2013，43（18）：428－432）